České vysoké učení technické v Praze Fakulta biomedicínského inženýrství Úloha KA02/č. 4: Principy a aplikace pulzních oxymetrů Metodický pokyn pro vyučující se vzorovým protokolem Ing. Grünes Richard, Ph.D. (grunes@fbmi.cvut.cz) Poděkování: Tato experimentální úloha vznikla za podpory Evropského sociálního fondu v rámci realizace projektu Modernizace výukových postupů a zvýšení praktických dovedností a návyků studentů oboru Biomedicínský technik, CZ.1.07/2.2.00/15.0415. Období realizace projektu 11. 10. 2010 28. 2. 2013.
Principy a aplikace pulzních oxymetrů (metodický podklad) Motivace a cíl Úloha má studenty seznámit s principy a funkcí pulzních oxymetrů používaných v klinické praxi. Studenti si sami na sobě i na testeru ověří funkci pulzních oxymetrů. Pomocí přípravku analogového pulzního oxymetru mají studenti možnost ověřit si průběhy signálů v jednotlivých stupních pulzního oxymetru. Předpoklady Studenti by si měli před samotným měřením prostudovat blokové schéma přípravku analogového pulzního oxymetru a měli by znát jaké signály mají očekávat v kontrolních bodech přípravku. Dále by měli znát jakým způsobem a z jakých signálů je vypočítán poměr R, pomocí kterého je odvozována saturace kyslíku v arteriální krvi. Postup přípravy studentů Nejčastější chyby studentů při práci na osciloskopu jsou špatně nastavená měřítka časové i napěťové osy. Studenti si často zakreslují pouze šum a ne vlastní signál. Dále si studenti tato měřítka nezapisují a ztrácejí tak informace o velikosti dosažených napětích průběhu signálu a o jeho trvání v čase. Zpětně pak signál nejsou schopni popsat a zrekonstruovat. Pokud jsou součástí výstupu úlohy grafy, je potřeba trvat na tom, aby studenti správně popsali osy a dosadili odpovídající hodnoty. Je třeba studentům vysvětlit jak se osciloskop do obvodu zapojuje a k jakému účelu je v měření určen. Velmi často jej totiž studenti zapojují v sériovém zapojení. Požadavky Každý student by si měl vyzkoušet proměřit signály v kontrolních bodech přípravku a pomocí naměřených hodnot vypočítat normovaný poměr intenzit R. Pomocí grafu převodní charakteristiky z návodu úlohy pak odvodit naměřenou hodnotu saturace kyslíku. Při připojování simulátoru SpO 2 ke zdroji 12 V dejte pozor na to, aby kladný pól byl na kostře a záporný na kolíku. Slovník pojmů P AO parciální tlak kyslíku v alveolech (kpa) 2 S a O 2 saturace kyslíku v arteriální krvi (%) SpO 2 saturace kyslíku měřená pomocí pulzní oxymetrie (%)
Obsah a cíl měření Cílem měření je seznámit se s funkcí pulzních oxymetrů a ověřit jejich správnou funkci pomocí simulátoru SpO 2 a dále na přípravku analogového pulzního oxymetru si ověřit a proměřit řídicí a snímané signály. Úkoly měření 1. Pomocí simulátoru SpO 2 [4.5] ověřte správnost měřených hodnot u několika typů pulzních oxymetrů. Nastavené a naměřené hodnoty porovnejte a zapište. 2. Na přípravku analogového pulzního oxymetru si pomocí osciloskopu zobrazte průběhy signálů v kontrolních bodech K1-K12, viz Obr. 4.5. 3. V kontrolních bodech K9, K10 a K13, K14 změřte velikost R/IR napětí číslicovým voltmetrem, jejich dosazením do rovnice 2 vypočítejte poměr R a z grafu na Obr. 4.4 odečtěte konkrétní hodnotu saturace. 4. Pomocí přípravku pro snímání pletysmografické křivky zobrazte na osciloskopu pletysmografickou křivku a pozorujte, jak se mění její tvar při zadrženém dechu a vlivem pohybových artefaktů. Z pletysmografické křivky odečtěte velikost srdeční frekvence, průběh pletysmografické křivky si zakreslete.
K1 oscilátor čítač vysílací jednotka řízení LED řízení S/H PP PP přijímací jednotka K2 K3 K5 K6 zesilovač zesilovač R IR FD K4 vstupní K7 S/H zesilovač sonda přijímací jednotka S/H DP špičkový detektor invertor špičkový detektor DP špičkový detektor invertor špičkový detektor nulování DP K8 DP + + měřicí jednotka K9 K10 K11 K12 K13 K14 R-DC IR-DC R-AC IR-AC R-Vpp IR-Vpp Obr. 4.5: Blokové schéma přípravku modelu analogové části pulzního oxymetru s vyznačenými kontrolními body
Postup měření Ad úkol 1) POZOR: Simulátor SpO 2 napájejte ze zdroje 12 V s kladným pólem na kostře a záporným na kolíku, viz spodní strana přístroje!!! K simulátoru SpO 2 jsou k dispozici etalony umělé prsty s různou nominální hodnotou SpO 2. Vyzkoušejte postupně připojit k simulátoru dostupné etalony a umístit na ně klipy pulzních oxymetrů se snímačem SpO 2. Pro každou hodnotu SpO 2 etalonu postupně nastavte všechny předvolby tepové frekvence na simulátoru. Porovnejte a zapište si zvolené hodnoty SpO 2 a tepové frekvence s hodnotami na pulzním oxymetru. Při nasazování klipsu pulzního oxymetru na etalony buďte trpěliví a snažte se je nasadit co možná nejpřesněji na začátek umělého prstu. Ukázka uspořádání simulátoru SpO 2 s nasazeným pulzním oxymetrem na etalonu je prezentována na Obr. 4.6. Obr. 4.6: Uspořádání simulátoru SpO2 s testovaným pulzním oxymetrem Ad úkol 2) Přípravek analogového pulzního oxymetru (Obr. 4.7 vlevo) připojte pomocí banánků na zdroj napájecího napětí +5 V a symetrického napájecího napětí ±15 V. Ke konektoru CAN 9 připojujte specializovanou sondu s klipsnou na prst. Proveďte kalibraci přípravku, přepínač v poloze 2 a klips bez vloženého prstu. Průběhy v kontrolních bodech K11 a K12 by měly mít shodnou amplitudu (popřípadě dolaďte proměnnými odpory). Jestliže se i pak hodnoty na výstupech obou kanálů liší,
obdržíme jejich poměrem korekční konstantu. Pomocí měřicí sondy si na osciloskopu postupně zobrazte a porovnejte signály z kontrolních bodů přípravku analogového pulzního oxymetru. Jednotlivé kontrolní body mají následující význam: K1 hodinové impulsy oscilátoru, K2, K3 řídicí impulzy R/IR diod, K4 signál na výstupu vstupního zesilovače, K5, K6 řídicí signály obvodů S/H, vzorkovací a paměťové obvody (sample and hold), K7, K8 snímaný signál rozdělený do dvou kanálů, K9, K10 DC (stejnosměrné) složky R/IR signálu (změřte pomocí číslicového voltmetru), K11, K12 AC (střídavé) složky R/IR signálu, K13, K14 hodnota napětí V pp AC složky R/IR signálu (změřte pomocí číslicového voltmetru). Signály z kontrolních bodů K4, K7, K8, K11 a K12 zakreslete do grafů. Obr. 4.7: Přípravek analogové části pulzního oxymetru (vlevo) a přípravek pro snímání pletysmografické křivky (vpravo) Ad úkol 3) Pomocí číslicového voltmetru změřte v kontrolních bodech K9, K10 hodnoty R DC a IR DC stejnosměrné složky červeného světelného a infračerveného záření a v kontrolních bodech K13, K14 hodnoty R AC a IR AC střídavé složky červeného světelného a infračerveného záření. Změřené hodnoty dosaďte do (4.2) a vypočítejte poměr R. Z grafu na Obr. 4.4 odečtěte konkrétní hodnotu saturace. Ad úkol 4) K přípravku pro snímání pletysmografické křivky (Obr. 4.7 vpravo) se připojuje specializovaná sonda s klipsnou na prst. S touto sondou je třeba zacházet velmi opatrně. Zejména se nesmí překrucovat přívodní kabel. Pokud se podíváte do
klipsny, tak uvidíte měkkou výstelku a otvory pro vysílací a přijímací diody. Na přípravku jsou k dispozici dva potenciometry, z nichž jeden označený OFFSET umožňuje nastavit posuv celé křivky ve vertikálním směru a druhý označený GAIN, který umožňuje nastavit vhodné zesílení, aby křivka byla zobrazena v celém možném dynamickém rozsahu. Přípravek pomocí koaxiálního vodiče s BNC konektory připojte k osciloskopu. Na osciloskopu zobrazte pletysmografickou křivku a pozorujte, jak se mění její tvar při zadrženém dechu a vlivem pohybových artefaktů. Z pletysmografické křivky odečtěte velikost srdeční frekvence, průběh pletysmografické křivky si zakreslete. Použité přístroje a pomůcky Simulátor SpO 2 SPO2-2000 pulse oximetry simulator (BC Biomedical, USA) Přípravek - model analogové části pulzního oxymetru (ČVUT v Praze) Přípravek pro snímání pletysmografické křivky (ČVUT v Praze) Sonda pro snímání pletysmografické křivky Multimetr a vodiče zakončené banánkem Dvoukanálový osciloskop včetně 2 sond a koaxiálního kabelu Regulovatelný dvojitý napájecí zdroj (2x0-30V, 1x5V) včetně 6 napájecích vodičů zakončených banánkem Naměřené výsledky Z laboratorní úlohy studenti vypracují protokol o měření. Naměřené hodnoty z úkolu 1 zapíší pro jednotlivé pulzní oxymetry do tabulek. Změřené průběhy signálů z úkolu 2 zakreslí do grafů s popisy os a odpovídajícím měřítkem. Naměřené hodnoty z úkolu 3 zapíší do tabulky a rozepíší výpočet poměru R. Výslednou hodnotu SpO 2 odečtenou z převodní křivky na 4.4 připíší také do tabulky naměřených hodnot. Pletysmografickou křivku z úkolu 4 zakreslí do grafu s popisy os a odpovídajícím měřítkem. Ke křivce v grafu připíší důležité parametry popisující její průběh.
Závěr V protokolu o měření se studenti krátce vyjádří ke každému bodu měření. Zhodnotí naměřené výsledky a porovnají je s údaji, které uvádí výrobce pulzního oxymetru v návodu k obsluze (o návod k obsluze požádejte vyučujícího). Dále studenti určí druh příložné části, s níž přístroj pracuje, třídu (elektrické) izolace a klasifikační třídu ZP. Kontrolní otázky k dané problematice 1) Proč se pulzní oxymetrie nazývá právě pulzní? 2) Na jakém principu je založeno snímání pletysmografické křivky? 3) K čemu se v obvodovém zapojení analogové části pulzního oxymetru používají vzorkovací a paměťové obvody (ve zkratce S/H)? 4) Jaké obecné vlastnosti jsou důležité pro sondy pulzní oxymetrie? Literatura [4.1] Design of pulse oximeters / edited by J.G. Webster. - Bristol; Philadelphia: Institut of Physics Pub., 1997, xvi. 244 s.: ISBN 0-7503-0467-7. [4.2] Gravenstein, J.S. : Gas monitoring and Pulse oximetry. Stoneham: Butterwort Heinemann, 1990. 140 s.: ISBN 13: 9780409902617 [4.3] Hozman, Jiří,. Praktika z biomedicínské a klinické techniky. Vyd. 1. V Praze: ČVUT, 2008. 154 s.: ISBN 978-80-01-03956-4 (brož.). [4.4] Silbernagl, Stefan. Atlas fyziologie člověka / 6. vyd., zcela přeprac. a rozšíř. Praha: Grada, 2004. 435 s.: ISBN 80-247-0630-X. [4.5] Pulse oximeter simulator, SPO-2000. User manual, Rev. 02. BC GROUP INTERNATIONAL, INC., USA. 04/2006
Principy a aplikace pulzních oxymetrů Úkoly měření: 1. Pomocí simulátoru SpO 2 ověřte správnost měřených hodnot u několika typů pulzních oxymetrů. Nastavené a naměřené hodnoty porovnejte a zapište. Tabulka hodnot SpO2 naměřených u tří typů pulzních oxymetrů CONTEC CMS-50E, EDAN M3B a monitoru vitálních funkcí GE DATEX-OHMEDA: saturace počet tepů 60 120 180 60 120 180 60 120 180 CONTEC CMS-50E 59/ 82 % 81 % 81 % 60/ 91 % 60/ 96 % EDAN 60/ 60/ 60/ M3B GE DATEX- OHMEDA 60/ 60/ 60/ S ohledem na rozdíly v nastavené a naměřené hodnotě saturace u pulzního oxymetru CONTEC byl tento přístroj proměřen detailněji pro tepovou frekvenci 60 bpm. Korekční tabulka pulzního oxymetru CONTEC CMS-50E: simulátor 100 99 98 97 96 95 94 93 SpO 2 CONTEC 100 99 98 97 96 95 94 93 ΔSpO 2 0 0 0 0 0 0 0 0 SpO 2 SpO 2 simulátor 92 91 90 89 88 87 86 85 CONTEC 92 91 90 90 89 88 87 86 ΔSpO 2 0 0 0-1 -1-1 -1-1 simulátor 80 75 70 65 60 55 50 CONTEC 82 79 75 72 69 65 62 ΔSpO 2-2 -4-5 -7-9 -10-12 Byla ověřena správnost měření u tří typů pulzních oxymetrů. Jako nejméně přesný vyšel levný oxymetr pro domácí použití CONTEC CMS-50E. Pro tento typ byla proměřena korekční tabulka.
2. Na přípravku analogového pulzního oxymetru si pomocí osciloskopu zobrazte průběhy signálů v kontrolních bodech K1-K12, viz Obr. 4.5. Na následujícím grafu jsou zobrazeny průběhy řídících signálů pro červenou a infračervenou diodu a obvody sample and hold. Hodnoty stejnosměrných napětí v bodech K9, K10: R DC = 12,72 V (K9) a IR DC = 12,73 V (K10) 3. V kontrolních bodech K9, K10 a K13, K14 změřte velikost R/IR napětí číslicovým voltmetrem, jejich dosazením do rovnice 2 vypočítejte poměr R a z grafu na Obr. 4.4 odečtěte konkrétní hodnotu saturace. Měření bylo provedeno na dobrovolníkovi, naměřené hodnoty jsou: červená dioda: R AC = 1,63 V (K13), R DC = 12,72 V (K9) infračervená dioda: IR AC = 1,83 V (K14), IR DC = 12,73 V (K10) R = (1,63/12,72)/(1,83/12,73) = 0,895 Po odečtení z grafu na obrázku dostáváme hodnotu SpO 2 = 94 %, hodnota saturace naměřená pomocí CONTEC CMS-50E byla. Chyba měření 3 % mohla vzniknout odečítáním z grafu převodní křivky poměru R.
4. Pomocí přípravku pro snímání pletysmografické křivky zobrazte na osciloskopu pletysmografickou křivku a pozorujte, jak se mění její tvar při zadrženém dechu a vlivem pohybových artefaktů. Z pletysmografické křivky odečtěte velikost srdeční frekvence, průběh pletysmografické křivky si zakreslete. Překreslená pletysmografická křivka z displeje osciloskopu: Velikost frekvence signálu odečteného na osciloskopu byla 926 mhz, což odpovídá srdeční frekvenci 56 bpm. Velikost signálu peak-to-peak byla U pp = 2 V.