Оптические оксиметры. Устройство пульсового оксиметра

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 05.11.2024

Пульсоксиметры — недорогие приборы, которые показывают, достаточно ли в вашей крови кислорода. Их можно использовать в домашних условиях, чтобы на ранних стадиях выявлять признаки дыхательной недостаточности.

Расскажу подробно о пульсоксиметрах, о том, что они умеют и как их выбирать.

Для чего нужны пульсоксиметры и что с их помощью измеряют

Пульсоксиметр выглядит как небольшая коробочка. Пациенту нужно поместить палец в зажим-«прищепку» или в резиновую муфту, чтобы измерить частоту сердечных сокращений и сатурацию — процент насыщения крови кислородом.

В организме кислород транспортируется гемоглобином — особым соединением, которое входит в состав эритроцитов (красных кровяных клеток). Каждая молекула гемоглобина может присоединить четыре молекулы кислорода. Если все молекулы «заполнены» кислородом, можно сказать, что оксигенация крови у человека составляет 100%. Обычно она чуть меньше: в норме — не менее 95–98%. При снижении уровня оксигенации до 92% следует обратиться к врачу.

Принцип действия прибора базируется на оценке цвета крови. Насыщенная кислородом кровь должна быть алой, а ненасыщенная (венозная) кровь — тёмной. В зависимости от количества кислорода в крови интенсивность её окраски меняется. Пульсоксиметр улавливает и фиксирует эти изменения: он просвечивает палец потоком красного света, а затем выдаёт долю насыщенного кислородом гемоглобина относительно всего гемоглобина, в том числе ненасыщенного.

Прибор также измеряет частоту пульса. У большинства людей она составляет в покое от 60 до 80 ударов в минуту, при этом пульс до 90 ударов в минуту тоже считается нормой. Частота сердечных сокращений может увеличиваться при стрессе и физической нагрузке. Она также возрастает на фоне лихорадки. Сниженный пульс часто наблюдается у тренированных людей: сердце у них большое и сильное, поэтому ему нужно сделать меньше сокращений, чтобы протолкнуть в сосуды необходимый объём крови.

Чтобы воспользоваться пульсоксиметром, нужно поместить палец в зажим, нажать на кнопку и дождаться результатов измерения. Они будут готовы через 15–20 секунд

Какая может быть погрешность при измерениях

Точность измерения зависит от длины волны инфракрасного и красного света, которые должны составлять соответственно 940 нм и 660 нм. Отклонение на каждые 3 нм влечёт за собой погрешность в 0,5%. Для большинства пульсоксиметров производители указывают погрешность измерений в 2%.

На практике понять, что устройство точное, можно только одним способом: сравнив его с эталоном. Нужно провести измерения на приборе, в точности которого вы уверены, а затем повторить его на исследуемом пульсоксиметре и получить аналогичные результаты.

Пациент не должен самостоятельно проверять работоспособность приборов, которые он покупает. Для этого есть специальные органы. Лучший способ удостовериться в точности пульсоксиметра — приобрести аппарат с регистрационным удостоверением (сокращённо «РУ»), которое было выдано Министерством здравоохранения РФ. Поэтому при покупке уточняйте, есть ли у прибора регистрационное удостоверение.

Зачем пульсоксиметру регистрационное удостоверение

Если удостоверения нет, вы не можете быть уверены в качестве прибора. Вполне вероятно, что он показывает неправильные цифры сатурации, и вы никак не сможете это проверить.

Недорогие пульсоксиметры без регистрационного удостоверения можно заказать в Интернете, но я не рекомендую экономить на таком приборе.

От правильности измерения часто зависит жизнь человека. Если у пациента есть симптомы слабости и одышка, в это время важно следить за кислородом в крови, чтобы не упустить момент ухудшения состояния. О нём свидетельствует низкий показатель сатурации. В этом случае нужно обратиться к врачу, чтобы получить медицинскую помощь до нарушения функции внутренних органов.

Практика показывает, что у дешёвых пульсоксиметров без РУ с ценой до 2500 рублей (на декабрь 2020 г) отмечены нестабильные показания сатурации. На таких приборах здоровый человек без симптомов одышки увидит оксигенацию в 93%, а при следующем измерении — 95–97%. Качественные пульсоксиметры выдают при каждом новом замере одинаковые результаты. Минимальная погрешность бывает, но совсем нечасто.

На что обратить внимание при выборе

Экран. У пульсоксиметра может быть светодиодный или жидкокристаллический дисплей. С практической точки зрения лучше покупать прибор со светодиодным экраном — он более устойчив к механическим повреждениям.

Построение графиков. Они показывают диаграмму изменения пульса, что удобно для отслеживания динамики. Графики могут отображаться или не отображаться на экране устройства, у этой функции в домашних условиях нет диагностической ценности.

Встроенная память есть у дорогих приборов. При желании пациенты могут многократно измерять пульс и уровень кислорода у себя, членов семьи, друзей и соседей и всю эту информацию сохранять для врача. В некоторых моделях можно переносить данные на компьютер и интегрировать их в специальное программное обеспечение.

Повышенный диапазон измерений. Большинство приборов оценивают оксигенацию в пределах 70–99%, пульс — в диапазоне 30–230 ударов в минуту. При этом есть более функциональные варианты, способные определять пульс даже с частотой 18–300 ударов в минуту, а насыщение крови кислородом — в пределах 0–100%. На практике этим никто не пользуется, потому что широкий диапазон измерений требуется только от профессиональных приборов, которые используют в отделениях реанимации и интенсивной терапии.

Автоматическое отключение. Некоторые приборы отключаются сами, как только вы снимаете их с пальца. Это позволяет экономить заряд батареи и ваши усилия — не приходится повторно нажимать на кнопку.

Есть и другие функции, которые делают пульсоксиметр дороже, но не влияют на точность измерения уровня кислорода в крови:

беспроводная связь с вашим смартфоном;
часы;
разрешение дисплея и количество цветов;
рабочее время батареи;
привлекательный дизайн;
возможность подключения принтера;
длинный кабель зарядки;
чехлы в комплекте;
малый вес;
дополнительная устойчивость к ударам.

Некоторые пульсоксиметры предназначены для детей, в том числе для новорождённых — такие аппараты обычно крепятся на ногу. У этих устройств другие размеры, иногда они различаются по форме, но набор функций у них аналогичный.

Пульсоксиметр: принцип работы и разборка схемы

Пульс-оксиметр – полезное и доступное по цене медицинское устройство, которое зажимает один из пальцев и позволяет быстро и легко измерить частоту сердечных сокращений, а также рассчитать насыщение крови кислородом. Недавно был куплен такой пульсоксиметр и после тестов можно кратко объяснить, как работает пульсоксиметр, и что там внутри, в плане работы электроники.

Пальцевый пульсоксиметр

Пульсоксиметр Fingertip – это портативное электронное устройство, которое стало обычным повседневным медицинским оборудованием. Через некоторое время после надевания на палец прибор выдает данные, но требуется несколько секунд, чтобы получить базовые показания и откалибровать уровни датчика. Пульсоксиметр питается от батареи и автономен, а уровень кислорода отображается на встроенном многоцветном дисплее вместе с частотой пульса.

Напомним, что пульсоксиметрия – это неинвазивное измерение сатурации кислорода (SpO). Насыщение кислородом определяется как количество кислорода, растворенного в крови, на основе определения гемоглобина (Hb) и дезоксигемоглобина (HbO 2).

Разборка пульсоксиметра

Пластиковая губка пульсоксиметра удерживает палец между верхним и нижним частями корпуса, соединенных парой асимметричных шарниров, которые соединяют отверстие наверху с прорезью внизу. Нижний корпус содержит пару батарей и источник света, а верхний основную печатную плату с деталями контроллера.

В нижней части особо не на что смотреть, там небольшая пластиковая крышка, которую можно открыть, чтобы увидеть контакты аккумулятора и места пайки для четырех проводов.

В верхнем корпусе находятся все основные компоненты электронной схемы. Вот вид изнутри на верхний корпус с основной печатной платой и панелью OLED-дисплея. Однокнопочный переключатель предназначен для включения схемы и регулировки поворота дисплея.

Большинство китайских конструкций пульсоксиметров пальцевых обычно основаны на очень недорогих, но многофункциональных микроконтроллерах, таких как микроконтроллеры серии STM32 (32-разрядные МК от STMicroelectronics).

Точно так же и OLED-дисплей от неизвестного производителя. Дополнительно на печатной плате также есть несколько различных пассивных и активных радиокомпонентов для поддержки основной электроники.

Видно контакты для программирования / отладки UART (VCC / RX / TX / GND), расположенные рядом с MCU. Линия RX идет от контакта 5, а линия TX идет от контакта 6 MCU.

Как работает пульсовой оксиметр

Типичный пульсовой оксиметр (который также измеряет частоту сердечных сокращений) использует две разные длины волн света – 660 нм (красный) и 940 нм (ИК) – для измерения разницы в спектрах поглощения HbO и Hb (Hb поглощает свет при 660 нм, а HbO – при 940 нм).

Проще говоря, инфракрасный и видимый свет от светодиода (источника света), установленного в нижнем корпусе, передается в палец, где свет поглощается гемоглобином и оксигемоглобином в крови. Процент насыщения кислородом рассчитывается микроконтроллером на основе уровней поглощения света от источника.

Над пальцем находится фотосенсор (преобразователь интенсивности света в частоту), установленный в верхнем корпусе, который выдает последовательность импульсов, ритм которой прямо пропорционален интенсивности света, падающего на фотодатчик. TSL237 – лишь один из широко используемых фотосенсоров в этом устройстве.

В стандартном пульсовом оксиметре используется PPG метод определения частоты сердечных сокращений и измерения насыщения крови кислородом на основе характеристик поглощения красного и инфракрасного света оксигенированным и деоксигенированным гемоглобином. Пульсоксиметр попеременно мигает красным и инфракрасным светом через палец на фотодиод. Инфракрасный свет поглощается насыщенным кислородом гемоглобином, в то время как красный свет проходит через него. Кроме того, деоксигенированный гемоглобин пропускает инфракрасный свет и поглощает красный свет. Фотодиод принимает непоглощенный свет от каждого светодиода. Этот сигнал обрабатывается с помощью усилителя трансимпеданса, который представляет свет, поглощенный пальцем.

Пульс-оксиметр своими руками

Основное, что нужно сделать для сборки самодельного измерителя, это подключить соответствующий датчик к микроконтроллеру, чтобы он мог считывать и обрабатывать данные.

Если есть специальный модуль датчика пульсового оксиметра (например, MAX3010x), можно реализовать идею создания пульсоксиметра с Arduino. На рынке представлено множество модулей датчиков пульсового оксиметра и коммутационных плат.

MAX30100 от Maxim – самый популярный датчик пульсоксиметра, широко используемый радиолюбителями и производителями электроники. Другими известными датчиками этой серии являются MAX30102 и MAX30105.

MAX30100 – это интегрированный датчик пульсоксиметрии и контроля сердечного ритма. Он сочетает в себе два светодиода, фотодетектор, оптимизированную оптику и малошумящую аналоговую обработку сигналов для обнаружения сигналов пульсовой оксиметрии и частоты сердечных сокращений.

Это самый распространенный модуль MAX30100 (RCWL-0530). Помимо датчика MAX30100, этот 7-контактный модуль содержит два стабилизатора положительного напряжения (3,3 В и 1,8 В).

Подведём итог

В настоящее время можно как купить готовый, так и сделать свой собственный пульсоксиметр, используя микроконтроллер Arduino и соответствующий модуль датчика.

Оптические оксиметры. Устройство пульсового оксиметра

Виды оксигемометрии. Полярографические оксиметры

Для того чтобы врач, осуществляющий мониторинг насыщения артериальной крови кислородом (Sa02), был защищен от множества трудно прогнозируемых сложностей, возникающих при использовании аппаратуры для определения сатурации крови, ему, хотя бы в общих чертах, необходимо иметь информацию о технологии методов оксиметрии.
По физическому принципу анализаторы сатурации крови кислородом подразделяются на два больших класса — полярографические и оптические. И те, и другие могут быть инвазивными и неинвазивными.

Полярографические анализаторы кислорода основаны на принципе физико-химического расщепления оксигемоглобина с выделением молекулярного кислорода. Молекулярный кислород, растворяясь в электролитном растворе, превращается в гидроксильные ионы. Далее измеряется концентрация ионов кислорода по величине электрического тока, порождаемого датчиком. Сенсор (электрод Кларка) определяет напряжение кислорода в артериальной или венозной крови. Специальными сенсорами анализируются также напряжение двуокиси углерода (РС02) и Рн. На основании этих данных рассчитываются параметры кислотно-основного равновесия. В последних версиях подобной аппаратуры определяется и оксигенация крови (S02), а также некоторые электролиты крови. Газовый анализ осуществляется in vitro, в специальной кювете, в которую вводится проба крови. Основное требование при заборе этой пробы состоит в предупреждении контакта крови с воздухом.

В основе неинвазивных полярографических способов газооанализа также лежит физический-химический метод. Через специальные мембраны, расположенные в накожном датчике, происходит избирательная диффузия кислорода или двуокиси углерода с последующим их анализом полярографическим сенсором.
Аппараты, основанные на полярографическом принципе газового анализа, имеют свои достоинства и недостатки.

К достоинствам мультигазового (кюветного) анализатора относится высокая точность измерения содержания газов, возможность помимо регистрации кислорода и двуокиси углерода получить весьма ценную информацию о кислотности крови, ее буферной системе, концентрации электролитов.
Серьезным недостатком таких аппаратов является ивазивность исследования и невозможность постоянного мониторинга в режиме реального времени.

Неинвазивные полярографические мониторы лишены этого недостатка. Также как и инвазивные модели, они могут анализировать не только кислород, но и углекислоту. Однако точность регистрации газов крови у них существенно меньше. Также как и при других неинвазивных методах, точность измерения зависит от состояния местного (в регионе расположения датчика) кровообращения. Кроме того, эти мониторы отображают не оксигенацию крови, а напряжение в них 02. Еще одним недостатком этих мониторов является необходимость частой замены дорогостоящих мембран, что значительно затрудняет их применение в постоянной клинической практике.

Все это явилось основной причиной тому, что наибольшее распространение в рутинной клинической практике получили мониторы, основанные на оптическом принципе. На них в дальнейшем мы и обратим основное внимание.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Фотоплетизмограмма. Погрешность пульсоксиметров

Метод позволяет определить степень поглощения мощности световой волны, обусловленной увеличенным кровенаполнением ткани после завершения систолы и уменьшенным во время диастолы. А поскольку в конце систолы в микрососудах преобладает артериальная кровь, то имеются все основания утверждать, что оксиметр регистрирует сатурацию именно артериальной крови. Пульсирующая кривая, отражающая изменение кровенаполнения микрососудов, носит название фотоплетизмограммы (ФПГ).

Очевидно, что аналогичным способом можно определить и наполнение пульса для красного канала, но в силу ряда причин на практике используют для этого инфракрасный канал. Реально величина N меняется от 10% до 0.1-0.05%, причем величина 0.1%, как правило, выбирается за минимальное пороговое значение, при котором пульсоксиметр еще будет нормально работать.
Иногда сигналы пульсовых волн U1, U3 выделяют для дополнительного усиления и фильтрации.

Сигналы преобразуются аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в числовые значения и используются процессором для расчета величин SpO , наполнения и частоты пульса.
Фотодиод датчика имеет нелинейную характеристику преобразования «свет-фототок», поэтому для исключения ошибок измерения, связанных с разной величиной сигналов, необходимо сигналы красного и инфракрасного света выравнивать по амплитуде. Это достигается путем регулирования излучаемой мощности по каждому каналу.

Нами описан наиболее типичный способ построения пульсоксиметра, по которому с теми или иными вариациями создается большинство приборов.
В некоторых современных пульсоксиметрах часть выше описанных функций может быть реализована в цифровом виде. Это стало возможным благодаря появлению недорогих аналого-цифровых преобразователей высокой разрядности и высокопроизводительных сигнальных процессоров.

В пульсоксиметрах «Osimed 2100» использована фирменная технология Dolphin ONE™, которая позволяет устранить отдельные узлы типичного пульсоксиметра (преобразователи «сила тока/напряжение», предусилители, фильтры, аналого-цифровой преобразователь и другие компоненты, присущие традиционным пульсоксиметрам). А это позволяет существенно уменьшить размер электронных компонентов, а также снизить электропотребление.

Резюмируя изложенные выше материалы, еще раз подчеркнем, что в современных пульсоксиметрах используется импульсная двухволновая технология. Газовый анализ обеспечивается красным и инфракрасным спектром света, различно поглощающимся оксигемоглобином и восстановленным (дезокси-) гемоглобином. Принимается допущение, что поглощение этих волн тканями, окружающими сосуд и стенки самого сосуда у конкретного человека, — величина постоянная, которая легко может быть учтена при расчетах. Поэтому разница в наполнении капилляров в начале и конце систолы (амплитуда пульсовой волны) может быть использована для расчета как сатурации крови, так и частоты сердечных сокращений.
Однако эту концепцию нельзя считать идеальной.

Во-первых, потому, что помимо окси- и дезоксигемоглобина в крови находятся, еще другие фракции гемоглобина (карбоксигемоглобин, метгемоглобин), не участвующие в кислородтранспортной функции крови, но имеющие близкие спектральные характеристики. В большинстве случаев они не оказывают существенного влияния на точность измерения сатурации крови, поскольку присутствуют в незначительных концентрациях. Однако при отравлениях окисью углерода или цианидами, а также при приеме некоторых лекарственных препаратов концентрация карбокси- и метгемоглобина может многократно возрасти и существенно повлиять на точность измерения Sp02, не говоря уже о том, что в этих ситуациях значительно страдает кислородтранспортная функция крови.

Во-вторых, имеются некоторые спектральные особенности гемоглобина в зависимости от расовой принадлежности и возраста (например, фетальный гемоглобин у младенцев).

В-третьих, в крови могут появиться другие эндогенные (билирубин) или экзогенные (метиленовая синь, индоциан зеленый) красители, которые также могут конкурировать с гемоглобином и оксигемоглобином.

Имеются и другие причины, влияющие на точность измерения:
• влияние на датчик окружающего освещения,
• наводки от действия другой электрической аппаратуры,
• малое кровенаполнение в области расположения датчика и др.

В основе принципа действия этих приборов лежит регистрация мощности определенного частотного спектра световой волны, генерируемой излучателем и воспринимаемой фотоприемником после ее прохождения через исследуемый объект. Длина волны излучателя выбирается таким образом, чтобы она максимально поглощалась (отражалась) оксигемоглобином и гемоглобином и мало поглощалась остальными тканями. Наиболее полно таким требованиям удовлетворяет красный и ближний инфракрасный свет.

Как было указано выше, оптические анализаторы по принципу анализа подразделяются на регистрирующие поглощение (абсорбционные) и отражение (отражательные) части измененной мощности волны после прохождения ее через исследуемый объект.

В приборе анализируется поглощение (абсорбция), или отражение световой волны различного частотного спектра окисленным гемоглобином и редуцированным (восстановленным, дезокси) гемоглобином. В соответствии с законом Бера, рассчитываются коэффициенты поглощения света.

K = К1*К2,
где К— суммарный коэффициент поглощения,
К1 — коэффициент поглощения света оксигемоглобином,
К2— коэффициент поглощения света восстановленным гемоглобином.

В технологии, основанной на эффекте отражения света, расчет осуществляется приблизительно таким же образом. Только вместо коэффициента поглощения (абсорбции) света рассчитывается коэффициент отражения. Эта технология еще не получила должной популярности и используется, в основном, в небольшом числе мониторов: в катетерном внутрисосудистом (венозном) и в церебральном оксиметрах. Конструкция этих мониторов принципиально мало отличается от мониторов, построенных на принципе абсорбции.

Спектральные абсорбционные оксиметры подразделяется на 2 вида, имеющие принципиальные отличия в том, что в одном из них метод расчета построен на анализе пульсирующего кровотока (пульсоксиметры), в другом эффект пульсации артериальной крови не используется.
В большинстве современных оксиметров, используемых в практической медицине, применяется пульсовая технология. Лишь транскутанные церебральные оксиметры построены на принципе непульсовой отражательной технологии.

Поскольку в подавляющем числе оксиметров, применяющихся в практическом здравоохранении, используется спектральная технология, необходимо хотя бы кратко ознакомить пользователя и техников сервисных центров с теоретическими основами этой технологии.

Устройство пульсового оксиметра

В основе большинства современных пульсовых оксиметров лежит метод двухполосной абсорбционной спектроскопии. Теоретическое обоснование этого метода, как указано выше, принадлежит Takuo Aoyagi.
Типовая структурная схема пульсового оксиметра, построенного по этому методу, приведена на рисунке. Часть элементов конструкции прибора (излучатели и фотоприемник) расположены в датчике. Разными фирмами выпускается множество разновидностей датчиков.

Свет, прошедший через насыщенные артериальной кровью ткани пациента, воспринимается фотоприемником датчика. Красный и инфракрасный светодиоды, как правило, работают поочередно, кроме того, обычно предусматривается фаза, когда оба светодиода погашены. Но частота смены фаз столь велика, что при взгляде на включенный датчик создается впечатление о непрерывном свечении.
Фотоприемник датчика, обычно это фотодиод, воспринимает световые волны с частотами, соответствующими красному (К) и инфракрасному (ИК) свету.

Предполагается, что интенсивность поглощения света остальными тканями (кроме артериальной крови) является величиной постоянной, не изменяющейся у конкретного человека на протяжении времени исследования. Сигнал пульсовой волны создается только пульсирующей артериальной кровью. Он изменяется (затухает) по мере наполнения микрососудов кровью во время систолы и увеличивается во время диастолы.

Читайте также: