Как разобрать пульсоксиметр для ремонта

Как проверить пульсоксиметр в домашних условиях

Пульсоксиметр – устройство для неинвазивного измерения сатурации и пульса. Он необходим пациентам с хроническими заболеваниями дыхательной и сердечнососудистой системы. В период пандемии получил применение для оценки состояния больных Covid-19.

Медицинские пульсоксиметры высокоточные, но из-за высокой цены большинству обывателей они недоступны. Бытовые приборы универсальные, легко помещаются в аптечке и стоят недорого. Но погрешность встречается чаще, чем у профессиональных устройств. Есть несколько способов проверить корректность работы пульсоксиметра.

Принцип работы

Работа устройства помогает измерить уровень сатурации (насыщение крови кислородом, SaO₂). Принцип действия основан на поглощении света гемоглобином. Оно меняется в зависимости от насыщения крови кислородом. Пульсоксиметр оснащен фотодетекторами:

1. Красный спектр (длина волны до 660 нм).
2. Инфракрасный спектр (длина волны 940 нм).

Медицинский прибор надевают на палец, чтобы измерить в капиллярах гемоглобин, связанный с кислородом (HbO₂, реагирует на инфракрасный свет) и в свободной форме (Hb, красное излучение). По их соотношению определяется, есть ли у пациента гипоксемия. По пульсации крови замеряется частота сокращения сердца. В норме сатурация должна составлять около 98-95%. Помощь медиков необходима, когда уровень падает ниже 94–92%.

Причины некорректной работы

Минимальные отклонения значений от фактических результатов для данного метода измерения является нормой. Но есть неблагоприятные условия, при которых проверка показателей прибора на точность покажет недостоверные результаты. К ним относятся бытовые и физиологические факторы:

• декоративное покрытие ногтей;
• пигментные пятна на коже;
• движение человека (в том числе дрожь, озноб);
• слишком яркое/темное освещение;
• нарушение кровообращения конечностей;
• интоксикация окисью углерода.

Некоторые виды лака, акрила, геля для ногтей, избыточный пигмент кожи поглощают свет прибора. Это искажает показатели HbO₂. Датчик в этом случае стоит фиксировать на пальце сбоку. Такой же эффект дает неестественное освещение в помещении.

Нарушение снабжения кровью капилляров рук приводит заниженным цифрам, которые в действительности говорят лишь о локальной проблеме. Это может быть вегетососудистая дистония – хроническое состояние, не требующее медицинской помощи. Замер на озябших пальцах (низкая температура в помещение, возвращение с прогулки на морозе) тоже могут быть причиной неточного результата.

Прибор реагирует на пульсацию в пальце, поэтому пониженное артериальное давление, надетая на руку манжета тонометра могут искажать результаты. Повлиять может повышенный уровень сахара в крови, сердечнососудистые заболевания, курение, анемия и избыточный вес, приводящий к ожирению.

Не подходит обычное устройство для контроля сатурации у детей. Маленькие пальцы не попадают под оба сканера пульсоксиметра, что искажает результат. Для ребенка нужен специальный прибор меньшего размера.

Допустимые погрешности

У эталонных пульсоксиметров допустимая погрешность >2%. Более точные показатели сатурации получают только с помощью анализа крови в лабораторных условиях. Для бытовых приборов допустимо отклонение до 3%. При сатурации выше 90% их данные достаточно точные.

Расхождение от 6% и больше, при условии, что не были нарушены условия эксплуатации, считаются недопустимыми. Гипоксемия ниже 80% сильно влияет на точность устройства. Большинство из них при таких значениях просто отключается.

Как хранить прибор

Хранить пульсоксиметр следует в сухом помещении. Допустимый температурный диапазон от -40°С до +60°C. Относительная влажность более 95% приводит к повреждению устройства, сокращению срока эксплуатации.

В случае поломки самостоятельный ремонт в домашних условиях запрещен. Гарантийный период сохраняется только при обращении в сервисную службу. Нужно следить за уровнем зарядки, своевременно заменять батарейки.

Правила эксплуатации

Оксиметрию проводят в спокойном состоянии сидя. Для точного измерения пульсоксиметр надежно фиксируют на пальце, руку держат неподвижно. Измерение на весу или в движении покажет заниженные результаты. Правильнее всего выполнять оксиметрию на среднем или указательном пальце ведущей руки. Не стоит держать руку вблизи с источником освещения. Во время авиаперелета или путешествия в горы особенности перепада давления приводят к естественной гипоксии, которая не является патологической.

Перед измерением следует проверить уровень заряда. Большинство пульсоксиметров оснащено аккумулятором, заряжающимся от сети, или портативными батарейками. Разряженные батарейки или низкий заряд устройства – это очевидная причина ошибки измерения, но ее часто упускают из виду.

После включения подождать автоматическое самотестирование устройства. Надежно зафиксировать датчик на пальце излишнего давления. Прибор собирает и обрабатывает данные, через 10-30 секунд результаты выводятся на экран. Кожа руки, на которой используют пульсоксиметр, должна быть сухой и чистой, не следует пользоваться кремами. Стоит избегать замеров вблизи с телефонами, бытовыми приборами, создающими электромагнитные колебания.

Способы проверки в домашних условиях

Приборы с высокой степенью надежности в неблагоприятных условиях измерения должны выключаться. Но некоторые устройства начинают выдавать ложные результаты. В условиях стационара проводят гипоксический тест – дыхание гипоксической смесью, содержащей 10% кислорода. Пациент дышит ею до момента достижения сатурации 80% и затем обычным воздухом до восстановления исходного уровня сатурации. Если появились сомнения в точности работы пульсоксиметра, есть несколько способов проверки на исправность, применимых в бытовых условиях.

Самый простой тест – поднять палец над головой во время измерения и подержать так несколько минут. Если пульсоксиметр не отключился, а выдал низкое значение сатурации, результатам верить нельзя. Можно для сравнения попросить знакомых или членов семьи провести измерение на себе, и сравнить значения.

На корректность влияют задержки дыхания, во время самодиагностики нужно дышать ровно и глубоко. Чтобы узнать свою физиологическую норму сатурации, стоит замерить ее уровень при хорошем самочувствии, на свежем воздухе и в душной комнате. Так пациент определит нижнюю и верхнюю планку своего организма и не пропустит значительное падение насыщения кислорода.

Тест с задержкой дыхания также показателен. Нужно измерить сатурацию в обычном состоянии, а затем сделать сильный выдох и задержать дыхание. Неизбежная кратковременная гипоксия должна отразиться на результатах – сатурация упадет до 90% и ниже. Если разницы при замерах не будет совсем, это косвенный признак неисправности прибора.

Врач может определить дыхательную недостаточность на осмотре. Сориентироваться дома самостоятельно пациенту или его родственникам непросто. Пульсоксиметр позволяет контролировать состояние, не пропустить момент, когда следует обратиться за экстренной медицинской помощью.

Источник

Пульсоксиметр своими руками

Во время самоизоляции я попытался сделать пульсоксиметр из того, что уже есть у меня в закромах

Я бы хотел измерить уровень насыщения крови кислородом в процентах в моей крови при помощи самостоятельно изготовленного пульсоксиметра. Я не эксперт в медицине, поэтому данный проект не имеет диагностической ценности. Это просто образовательный проект, подходящий для изучения принципов работы прибора.

• Arduino Uno.
• Датчик KY-039 – его можно собрать из двух резисторов и фотодиода.
• Красный светодиод.
• Резистор на 330 Ом – 2 шт.
• Дисплей LCD 16×2 I2C.

Я разбил инструкцию на 5 частей:

1. Насыщение крови кислородом и COVID-19.
2. Как работает измеритель пульса.
3. Измерение пульса через обнаружение пиков сигнала с датчика.
4. Изменение датчика пульса KY-039 для измерения насыщения крови кислородом.
5. Как измеряется насыщение.

Подробности

1. Насыщение крови кислородом и COVID-19

В данном невероятном периоде нашей жизни мы многое узнали о вирусах, лёгких, хирургических масках и о том, как правильно мыть руки. Все читали о таких симптомах, как кашель, повышение температуры и затруднение дыхания. Мы также знаем, что один из способов измерить затруднения дыхания – это узнать количество кислорода в крови.

Это можно сделать косвенным методом при помощи такого медицинского устройства, как пульсоксиметр. Вы, наверное, уже видели его – это неинвазивное устройство, цепляющееся на палец, за работу которого отвечают мигающие огоньки.

Если у вас всё в порядке со здоровьем, насыщение кислородом вашей крови составляет 95% или выше. Когда оно опускается ниже 90%, вы кашляете и у вас повышается температура – это проблема.

Так давайте же попробуем собрать пульсоксиметр!

2. Как работает измеритель пульса

Перед измерением насыщения крови кислородом нам нужно понять, как работает датчик пульса. У меня есть датчик KY-0039 с инфракрасным светодиодом и фотодиодом (вероятно, OP550A или LTR-301).

Я нашёл его в наборе из нескольких датчиков:

Как видно по схеме, это просто инфракрасный светодиод, светящий на фотодиод. У него есть ещё два резистора, для защиты светодиода и получения слабого сигнала с датчика. Палец помещается между фотодиодом и светодиодом, как на фото:

Излучаемый инфракрасным светодиодом свет частично поглощается ногтем, кожей и остальными частями пальца. Но поглощение не остаётся неизменным, поскольку оно меняется вместе с потоком крови, идущей по венам. Когда сокращается сердце, оно проталкивает кровь по венам, в результате чего меняется поглощение света. С контакта S датчика KY-039 можно снимать данные о токе, генерируемом светом, поглощённым фотодиодом.

3. Измерение пульса через обнаружение пиков сигнала с датчика

Качественно считать значение изменяющегося сигнала – задача непростая. В данном случае сигнал слабый, а шума много, поэтому для того, чтобы найти какие-то осмысленные значения, нам придётся провести определённые вычисления.

Выражаю благодарность Йохану Ха за его пост с объяснениями того, как строить среднее значение для небольшой выборки данных, а также удалять шум настольной лампы (содержащийся в её свете). Однако я обнаружил, что мой датчик хорошо считывает сигнал, в условиях хорошей освещённости, а если накрыть его тёмной тряпочкой, то шума становится больше.

В своём коде Ха создаёт массив, где хранит значения, а потом уменьшает их, вычисляя среднее на основе X последних значений, прочитанных с датчика. Он также описывает способ найти тот момент, когда сигнал начинает расти (когда N подряд значений сигнала превышают опорное), чтобы искать пики.

При помощи программы SerialPlot мне удалось лучше подобрать необходимое количество измерений, которое позволит нам корректно определить N (константа rise_threshold в коде). На примере графика ниже – если задать это число больше 7, то некоторые удары пульса программа пропустит и не заметит:

Когда мы научились находить пики, мы можем их подсчитать – или подсчитать время между пиками, и так определить количество сердечных сокращений в минуту.

4. Взламываем датчик пульса KY-039 для измерения насыщения крови кислородом

Наша кровь поглощает свет по-разному в зависимости от длины его волны. Красный свет лучше поглощает кровь, содержащая больше кислорода, поэтому мы можем сравнить измерения и найти процентное содержание кислорода в крови. Это значение называется Sp02%.

Sp02% полностью называется «насыщение кислородом периферийных капилляров», и обозначает примерное содержание кислорода в крови. Точнее, это процентное соотношение насыщенного кислородом гемоглобина по сравнению с общим количеством гемоглобина в крови.

У нашего датчика KY-039 есть только один инфракрасный (950 нм) светодиод. Нам нужно добавить к схеме красный светодиод (600 нм), подсоединить его к контакту Arduino, а кроме того, нам надо отсоединить инфракрасный светодиод от Vcc и подключить его к ещё одному контакту Arduino. Я также использовал два резистора на 330 Ом для защиты светодиода.

Схема изменённого датчика:

Теперь мы можем включать инфракрасный светодиод, считывать показания с контакта S датчика KY-039, а потом выключать инфракрасный светодиод и включать красный светодиод, и снова считывать показания с контакта S.

Если мы построим два графика, мы увидим, что значения, полученные с ИД всегда меньше, чем значения красного светодиода.

5. Как измеряется насыщение

Насыщение измеряется как функция параметра R, который определяется через максимум и минимум двух сигналов:

Rnum = (REDmax — REDmin) / REDmin;
Rden = (IRmax — IRmin) / IRmin;

R = Rnum / Rden;
Уровень насыщения кислородом (SpO2%) – это функция от R (подробности я нашёл в данной работе одного студента из Миланского политехнического).

У каждого инструмента функция от R получается своей, и чтобы найти правильную функцию, соотносящую R и SpO2%, новый пульсоксиметр нужно откалибровать по показаниям другого пульсоксиметра.

Как указано в 3-м разделе, подсчитать количество пиков довольно легко. Но нам кроме этого нужно ещё найти максимумы и минимумы двух кривых (для красного светодиода и для инфракрасного светодиода).

Для этого нам нужно оценить «период» сердцебиений (длительность каждого из них) и поделить его на скорость считывания показаний (в моём коде это 40 мс – 20 для красного светодиода и 20 для инфракрасного светодиода). Период сердцебиения – это время между двумя пиками кривых сигнала.

Теперь мы можем проанализировать N последних запросов (N = период / 40) и найти REDmax, REDmin, IRmax и IRmin. Затем через max и min мы можем вычислить R. R, N и период вычисляются после каждого сокращения сердца.

Как откалибровать самодельный пульсоксиметр, чтобы перейти от R к SpO2%?

Функцию, связывающую R с SpO2%, можно аппроксимировать прямой (SpO2 = K * R + M). Нам понадобятся две точки, чтобы определить параметры K и M, определяющие уравнение прямой – то есть, две пары значений SpO2% и R. Единственный способ найти их – использовать другой пульсоксиметр и прочесть значения с него.

Во время калибровки необходимо быть внимательным – на наш самодельный пульсоксиметр влияет освещение, поэтому его уровень нужно поддерживать одинаковым во всех случаях. Я пробовал закрывать его тёмной тканью, однако при отсутствии света сигнал получается слишком слабым и его сложно отличить от шума.

Рекомендую делать много измерений. Для получения двух разных точек на графике рекомендую понижать значения SpO2%, задерживая дыхание или выдыхая и вдыхая их пластикового пакета.

Найдя две хороших точки, вам останется решить уравнение 2-го порядка. Так можно будет найти параметры K и M.

Я в итоге решил добавить ещё и дисплей, чтобы сразу видеть все показания, а также добавил в код массив измерений. Я вывожу на дисплей измерения, только когда нахожу не менее 5 значений подряд, не сильно отличающихся друг от друга. Таким образом я избавляюсь от шума, вызванного недостаточно качественными компонентами или освещением. Однако всё равно измерения R получаются не очень стабильными, и коэффициент насыщения сильно скачет. Думаю, результаты были бы лучше, если бы я смог усилить сигнал.

Чтобы не зависеть от окружающего освещения, я добавил в схему ещё один, белый светодиод, и стал считывать показания, закрывая всё тёмной тканью. Так получается гораздо лучше, чем просто прикрывать всё тканью – идёт сильный сигнал, не зависящий от освещения в помещении.

Источник