醫(yī)用報警系統(tǒng)中視覺報警信號的測試方法

張 赟，孫益項

1 天津市醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，天津市，300384

2 南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，天津市，300071

醫(yī)用報警系統(tǒng)中視覺報警信號的測試方法

【作 者】張 赟1，孫益項2

1 天津市醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，天津市，300384

2 南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，天津市，300071

介紹了幾種可用于醫(yī)用報警系統(tǒng)中視覺報警信號的測試方法，以進(jìn)行YY 0709-2009的符合性驗證，包括直接測量報警信號燈的供電脈沖、拍攝視頻動畫后進(jìn)行圖像分析和用光電傳感器測量等，對幾種方法的優(yōu)劣進(jìn)行了比較。重點提出了一種以硅光電池作為傳感器、并在前端增加濾光片、在輸出端增加放大電路、用示波器接收信號的方法，解決了液晶模擬閃爍信號的測試難點，能夠適應(yīng)各種醫(yī)用電氣設(shè)備的視覺報警信號測試。

醫(yī)用報警系統(tǒng)；視覺報警信號；閃爍頻率；占空比；測試

0 引言

按照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0709-2009《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-8部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：通用要求，醫(yī)用電氣設(shè)備和醫(yī)用電氣系統(tǒng)中報警系統(tǒng)的測試和指南》的要求，醫(yī)用報警系統(tǒng)的視覺報警信號是一種閃爍信號（僅低級報警可以存在常開的形式），該閃爍信號的顏色、閃爍頻率和占空比應(yīng)該符合YY 0709-2009中表202的要求[1]。

標(biāo)準(zhǔn)中并未給出具體的測試方法，從常見的呼吸機、麻醉機、監(jiān)護(hù)儀等設(shè)備的報警信號來看，目前常見的閃爍信號主要有兩種產(chǎn)生方式：一是以LED發(fā)光為基礎(chǔ)，可以是單LED或LED陣列，也有少數(shù)情況采用其它類型的發(fā)光燈具，這一類通過控制供電電壓信號產(chǎn)生閃爍；二是以液晶顯示為基礎(chǔ)，在顯示器上某一區(qū)域設(shè)計圖像的閃爍或色塊的變色模擬視覺閃爍信號。不同的測試方法可能適合于不同的信號。本文提出了電信號測量法、圖像分析法和光電檢測法三種方法，并對其優(yōu)劣進(jìn)行了分析對比，其中一種改進(jìn)的光電檢測法能夠適應(yīng)目前所能見到的所有視覺報警信號的測試。

圖1 連續(xù)閃爍LED信號Fig.1 Signal of fl ashing LED

1 測試方法

1.1 供電信號測量

直接在LED的供電電路上測量供電信號，特別

是在采用第一種發(fā)光方式的產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，這種測試方式簡便易操作，無需特殊的測試設(shè)備，直接使用普通的示波器即可測量頻率和占空比。

這種方法的缺點是：

① 不適合液晶顯示的閃爍信號。

② 檢驗過程中必須破壞產(chǎn)品電路，找到LED的供電電路，特別是對于直接焊接在印刷電路板上的LED，外接示波器探頭是困難的。

③ 標(biāo)準(zhǔn)是對光信號的要求，測量電信號理論上是偏離標(biāo)準(zhǔn)的，只是由于LED的電光特性，其響應(yīng)時間通常可達(dá)ms級甚至μs級，因此電信號與光信號的差異很小可以不作考慮。

1.2 動畫圖像分析

將閃爍信號用普通攝像機或其它視頻/動畫拍攝設(shè)備拍攝之后，按幀分析動畫圖像可以估算出閃爍的頻率和占空比，這種方法能夠處理LED發(fā)光和液晶顯示等各種閃爍信號，簡便易操作，甚至不需要任何專業(yè)的測量設(shè)備。

但這種方法的誤差較大，由于圖像是離散的，幀與幀之間的信號亮度變化不可知。如果上升沿和下降沿分散到了不同幀之間，則會給結(jié)果帶來最大2幀的誤差。在頻率測量中，可以通過測量多個周期取平均值的方法減小這個誤差，而在占空比測量中，這個誤差無法被消除。以24 fps動畫為例，每幀間隔約42 ms，誤差最大可達(dá)84 ms，可估算出對于閃爍頻率2.0 Hz的信號，占空比測量誤差最大可達(dá)16.8%（絕對值），頻率越高這個誤差越大。目前的家用攝像設(shè)備可以實現(xiàn)50 fps拍攝，能夠減少一些誤差，但不能夠完全消除。

每秒幀數(shù)的限制決定了這種方法只能夠用于定性判別信號是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而不適宜給出定量測量結(jié)果。

1.3 光電檢測

使用光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)變成電信號進(jìn)行測試，這樣既不需要破壞受試設(shè)備電路，也避免了拖尾現(xiàn)象的影響，根據(jù)YY 0709-2009中表202的要求，可估算出視覺報警信號的時長多數(shù)在100 ms以上，甚至達(dá)到s量級，且可用范圍相當(dāng)寬，因此對傳感器種類沒有特別的要求，只要電路合理，光電二極管、光敏電阻、光電池等均可使用。

其中使用較為方便的是硅光電池。硅光電池工作時無需外置電源，直接將硅光電池兩極連接示波器測量電壓信號。測量對絕對電壓幅值并不關(guān)注，只要信號與噪聲具有足夠的區(qū)分度即可，由于信號上升沿和下降沿相當(dāng)陡，測試的時間精度是可以得到保證。圖1是一個連續(xù)閃爍的LED燈的測試圖，閃爍頻率約0.94 Hz，占空比約50%。

通常情況下， LED燈都具有可觀的亮度，以保證醫(yī)用電氣設(shè)備報警信號的清晰可見，因此用硅光電池測試LED燈時，信噪比通常都足夠大，而在測試液晶模擬閃爍信號時情況略有不同。液晶模擬閃爍信號是通過改變液晶顯示器上某一區(qū)域的顏色來實現(xiàn)的，信號脈沖內(nèi)顏色根據(jù)報警優(yōu)先級的不同分別為紅色（高優(yōu)先級）和黃色（中優(yōu)先級），而脈沖間歇期內(nèi)的顏色（背景色）是不確定的。即便對于同一臺設(shè)備，如果沒有設(shè)計在所有顯示模式下的獨立報警信號顯示區(qū)域，那么也有可能在不同的顯示模式下存在不同的報警信號背景色。較為理想的情況是背景色為黑色，這樣背景色和信號色在亮度、灰度上都有較大的反差，有利于提高信噪比。較為極端的情況是背景色雖然采用了別的顏色，但是亮度與信號色相同，對于硅光電池而言信噪比為1，如圖2所示。實際的情況常常是介于這二者之間，即背景色不是純黑色，但亮度與信號色也不完全相同，信噪比是大于1的有限值。

圖2 模擬閃爍信號（硅光電池直接采集）Fig.2 Signal of the graphical simulation (picked directly by silicon photoelectric generator)

為模擬這種極端情況，在液晶顯示器上設(shè)計了一個交替閃爍的紅/黃色塊，色塊長寬均為1 mm，色塊以外區(qū)域全部為黑色(至少20 cm×20 cm，以消除周圍出光對硅光電池的干擾)。紅色塊和黃色塊在顯示器上的同一位置，亮度均為128，分別顯示0.5 s，交替顯示形成閃爍頻率為1 Hz、占空比為50%的閃爍信號。

色塊的尺寸選擇是考慮到實際使用的報警信號燈的尺寸，實際能夠見到的較小的LED燈尺寸約為1 mm×1 mm，液晶模擬信號燈由于亮度比LED燈低，因此尺寸通常都更大，用1 mm×1 mm的色塊模擬了液晶模擬信號燈的極端情況(信號最弱的情況)。為了驗證硅光電池是否能夠響應(yīng)如此小尺度的色塊發(fā)出的光，在紅/黃色塊交替閃爍一定時間后完全消除色塊(變成黑色)，示波器顯示電壓立即降低，由此可見，硅光電池能夠響應(yīng)色塊產(chǎn)生的光信號，但是由于亮度完全相同，雖然肉眼可以清楚的察覺到色塊的閃爍，硅光電池卻不能區(qū)別紅色塊和黃色塊。

為了解決上述問題，我們在硅光電池前端增加了一塊紅色濾光片，降低了黃色塊的亮度，采集信號如圖3所示，已能夠分辨出脈沖信號，閃爍頻率和占空比都能夠通過測量得出。由于試驗中所用的模擬閃爍信號已經(jīng)遠(yuǎn)比實際情況微弱，增加濾光片之后也在一定程度上進(jìn)一步降低了信號強度，脈沖信號并不是非常清晰，如果在硅光電池輸出端增加一個放大器，就可以得到如圖4所示的清晰的脈沖信號，在圖4中能夠準(zhǔn)確的確定脈沖的上升沿和下降沿，從而能夠定量測量閃爍頻率和占空比。

這種方法對濾光片的截止效率和透過率要求都并不嚴(yán)苛，目的只是為了區(qū)分信號色和背景色的亮度。在實際使用中，對高優(yōu)先級報警信號使用紅色濾光片，對中優(yōu)先級報警信號使用黃色濾光片，即可適應(yīng)所有的報警信號，包括LED燈和液晶模擬信號燈。信號放大器作為一個可選器件，能夠在一定程度上提高閃爍頻率和占空比的測量精度。

圖4 模擬閃爍信號（硅光電池＋濾光片＋放大器）Fig.4 Signal of the graphical simulation (silicon photoelectric generator + spectral fi lter + amplif i er)

2 總結(jié)

醫(yī)用電氣設(shè)備和醫(yī)用電氣系統(tǒng)的視覺報警信號在閃爍頻率和占空比方面針對不同優(yōu)先級報警信號有詳細(xì)的要求，需要進(jìn)行測試驗證。直接測量報警信號燈的供電脈沖需要從內(nèi)部電路上取得連接，適合于生產(chǎn)過程驗證，而不便于成品測試；拍攝視頻動畫后對圖像進(jìn)行分析無需專用設(shè)備，任何人員和機構(gòu)均有能力實現(xiàn)，但精度不高，不宜用作定量測量，只能作為定性判別的依據(jù)；用光電傳感器測量精度高，測試過程不涉及受試樣品的電路，測試過程簡便，是適合專業(yè)機構(gòu)和大量測量的方法。

本文提出了一種改進(jìn)的光電傳感器測量方法，即以硅光電池作為傳感器，用示波器接收信號，并且根據(jù)醫(yī)用報警信號的實際設(shè)計差異，提出在硅光電池前端增加濾光片和輸出端增加放大電路的方法，解決了液晶模擬閃爍信號的信號色與背景色區(qū)分度低、信號強度弱的測試難點，同時仍然能夠適合LED報警燈的測試。這種方法能夠廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)用電氣設(shè)備和醫(yī)用電氣系統(tǒng)的視覺報警信號測試，針對目前大量醫(yī)療器械如呼吸機、麻醉機、監(jiān)護(hù)儀等必須符合的報警信號標(biāo)準(zhǔn)要求，給出了具有廣泛適用性和一致性的測試方法，消除了測試中的人為誤差。

[1] 國家食品藥品監(jiān)督管理局. YY 0709-2009 醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-8部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：通用要求，醫(yī)用電氣設(shè)備和醫(yī)用電氣系統(tǒng)中報警系統(tǒng)的測試和指南[S].

Test Methods of Visual Alarm Signal for Medical Alarm Systems

【 Writers 】Zhang Yun, Sun Yiding2
1 Tianjin Medical Devices Quality Supervision and Testing Center, Tianjin, 300384
2 Nankai Vniversity School of Physics, Tianjin, 300071

【 Abstract 】This paper introduces several test methods of characteristics of alarm indicator lights which can be used in the medical alarm system to verify the compliance of YY 0709-2009. These methods include the direct measurement of the pulse current supply of the alarm signals, image analysing of a video and reception by photoelectric sensor. After the comparation of the advantages and disadvantages among these methods, this paper proposes a new method of signal reception. This method which used a silicon photocell as the sensor with light fi lter in its front, and ampli fi ed circuit in the output end then used an oscillograph as the reviewer, has resolved the testing dif fi culties of the fl ashing signal simulating by LCD, and can be applied to test the alarm indicator lights in any medical electrical equipment.

medical alarm system, alarm indicator lights, fl ashing frequency, duty cycle, test

TP277

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.03.017

2013-08-07

國家科技支撐計劃資助（2012BAI22B00，2012BAI22B04）

張赟，E-mail: zhangyun0423@sohu.com

1671-7104(2014)03-0219-03