医用报警系统中视觉报警信号的测试方法

张 赟，孙益项

1 天津市医疗器械质量监督检验中心，天津市，300384

2 南开大学物理科学学院，天津市，300071

医用报警系统中视觉报警信号的测试方法

【作 者】张 赟1，孙益项2

1 天津市医疗器械质量监督检验中心，天津市，300384

2 南开大学物理科学学院，天津市，300071

介绍了几种可用于医用报警系统中视觉报警信号的测试方法，以进行YY 0709-2009的符合性验证，包括直接测量报警信号灯的供电脉冲、拍摄视频动画后进行图像分析和用光电传感器测量等，对几种方法的优劣进行了比较。重点提出了一种以硅光电池作为传感器、并在前端增加滤光片、在输出端增加放大电路、用示波器接收信号的方法，解决了液晶模拟闪烁信号的测试难点，能够适应各种医用电气设备的视觉报警信号测试。

医用报警系统；视觉报警信号；闪烁频率；占空比；测试

0 引言

按照现行行业标准YY 0709-2009《医用电气设备 第1-8部分：安全通用要求 并列标准：通用要求，医用电气设备和医用电气系统中报警系统的测试和指南》的要求，医用报警系统的视觉报警信号是一种闪烁信号（仅低级报警可以存在常开的形式），该闪烁信号的颜色、闪烁频率和占空比应该符合YY 0709-2009中表202的要求[1]。

标准中并未给出具体的测试方法，从常见的呼吸机、麻醉机、监护仪等设备的报警信号来看，目前常见的闪烁信号主要有两种产生方式：一是以LED发光为基础，可以是单LED或LED阵列，也有少数情况采用其它类型的发光灯具，这一类通过控制供电电压信号产生闪烁；二是以液晶显示为基础，在显示器上某一区域设计图像的闪烁或色块的变色模拟视觉闪烁信号。不同的测试方法可能适合于不同的信号。本文提出了电信号测量法、图像分析法和光电检测法三种方法，并对其优劣进行了分析对比，其中一种改进的光电检测法能够适应目前所能见到的所有视觉报警信号的测试。

图1 连续闪烁LED信号Fig.1 Signal of fl ashing LED

1 测试方法

1.1 供电信号测量

直接在LED的供电电路上测量供电信号，特别

是在采用第一种发光方式的产品的生产过程中，这种测试方式简便易操作，无需特殊的测试设备，直接使用普通的示波器即可测量频率和占空比。

这种方法的缺点是：

① 不适合液晶显示的闪烁信号。

② 检验过程中必须破坏产品电路，找到LED的供电电路，特别是对于直接焊接在印刷电路板上的LED，外接示波器探头是困难的。

③ 标准是对光信号的要求，测量电信号理论上是偏离标准的，只是由于LED的电光特性，其响应时间通常可达ms级甚至μs级，因此电信号与光信号的差异很小可以不作考虑。

1.2 动画图像分析

将闪烁信号用普通摄像机或其它视频/动画拍摄设备拍摄之后，按帧分析动画图像可以估算出闪烁的频率和占空比，这种方法能够处理LED发光和液晶显示等各种闪烁信号，简便易操作，甚至不需要任何专业的测量设备。

但这种方法的误差较大，由于图像是离散的，帧与帧之间的信号亮度变化不可知。如果上升沿和下降沿分散到了不同帧之间，则会给结果带来最大2帧的误差。在频率测量中，可以通过测量多个周期取平均值的方法减小这个误差，而在占空比测量中，这个误差无法被消除。以24 fps动画为例，每帧间隔约42 ms，误差最大可达84 ms，可估算出对于闪烁频率2.0 Hz的信号，占空比测量误差最大可达16.8%（绝对值），频率越高这个误差越大。目前的家用摄像设备可以实现50 fps拍摄，能够减少一些误差，但不能够完全消除。

每秒帧数的限制决定了这种方法只能够用于定性判别信号是否符合标准要求，而不适宜给出定量测量结果。

1.3 光电检测

使用光电传感器将光信号转变成电信号进行测试，这样既不需要破坏受试设备电路，也避免了拖尾现象的影响，根据YY 0709-2009中表202的要求，可估算出视觉报警信号的时长多数在100 ms以上，甚至达到s量级，且可用范围相当宽，因此对传感器种类没有特别的要求，只要电路合理，光电二极管、光敏电阻、光电池等均可使用。

其中使用较为方便的是硅光电池。硅光电池工作时无需外置电源，直接将硅光电池两极连接示波器测量电压信号。测量对绝对电压幅值并不关注，只要信号与噪声具有足够的区分度即可，由于信号上升沿和下降沿相当陡，测试的时间精度是可以得到保证。图1是一个连续闪烁的LED灯的测试图，闪烁频率约0.94 Hz，占空比约50%。

通常情况下， LED灯都具有可观的亮度，以保证医用电气设备报警信号的清晰可见，因此用硅光电池测试LED灯时，信噪比通常都足够大，而在测试液晶模拟闪烁信号时情况略有不同。液晶模拟闪烁信号是通过改变液晶显示器上某一区域的颜色来实现的，信号脉冲内颜色根据报警优先级的不同分别为红色（高优先级）和黄色（中优先级），而脉冲间歇期内的颜色（背景色）是不确定的。即便对于同一台设备，如果没有设计在所有显示模式下的独立报警信号显示区域，那么也有可能在不同的显示模式下存在不同的报警信号背景色。较为理想的情况是背景色为黑色，这样背景色和信号色在亮度、灰度上都有较大的反差，有利于提高信噪比。较为极端的情况是背景色虽然采用了别的颜色，但是亮度与信号色相同，对于硅光电池而言信噪比为1，如图2所示。实际的情况常常是介于这二者之间，即背景色不是纯黑色，但亮度与信号色也不完全相同，信噪比是大于1的有限值。

图2 模拟闪烁信号（硅光电池直接采集）Fig.2 Signal of the graphical simulation (picked directly by silicon photoelectric generator)

为模拟这种极端情况，在液晶显示器上设计了一个交替闪烁的红/黄色块，色块长宽均为1 mm，色块以外区域全部为黑色(至少20 cm×20 cm，以消除周围出光对硅光电池的干扰)。红色块和黄色块在显示器上的同一位置，亮度均为128，分别显示0.5 s，交替显示形成闪烁频率为1 Hz、占空比为50%的闪烁信号。

色块的尺寸选择是考虑到实际使用的报警信号灯的尺寸，实际能够见到的较小的LED灯尺寸约为1 mm×1 mm，液晶模拟信号灯由于亮度比LED灯低，因此尺寸通常都更大，用1 mm×1 mm的色块模拟了液晶模拟信号灯的极端情况(信号最弱的情况)。为了验证硅光电池是否能够响应如此小尺度的色块发出的光，在红/黄色块交替闪烁一定时间后完全消除色块(变成黑色)，示波器显示电压立即降低，由此可见，硅光电池能够响应色块产生的光信号，但是由于亮度完全相同，虽然肉眼可以清楚的察觉到色块的闪烁，硅光电池却不能区别红色块和黄色块。

为了解决上述问题，我们在硅光电池前端增加了一块红色滤光片，降低了黄色块的亮度，采集信号如图3所示，已能够分辨出脉冲信号，闪烁频率和占空比都能够通过测量得出。由于试验中所用的模拟闪烁信号已经远比实际情况微弱，增加滤光片之后也在一定程度上进一步降低了信号强度，脉冲信号并不是非常清晰，如果在硅光电池输出端增加一个放大器，就可以得到如图4所示的清晰的脉冲信号，在图4中能够准确的确定脉冲的上升沿和下降沿，从而能够定量测量闪烁频率和占空比。

这种方法对滤光片的截止效率和透过率要求都并不严苛，目的只是为了区分信号色和背景色的亮度。在实际使用中，对高优先级报警信号使用红色滤光片，对中优先级报警信号使用黄色滤光片，即可适应所有的报警信号，包括LED灯和液晶模拟信号灯。信号放大器作为一个可选器件，能够在一定程度上提高闪烁频率和占空比的测量精度。

图4 模拟闪烁信号（硅光电池＋滤光片＋放大器）Fig.4 Signal of the graphical simulation (silicon photoelectric generator + spectral fi lter + amplif i er)

2 总结

医用电气设备和医用电气系统的视觉报警信号在闪烁频率和占空比方面针对不同优先级报警信号有详细的要求，需要进行测试验证。直接测量报警信号灯的供电脉冲需要从内部电路上取得连接，适合于生产过程验证，而不便于成品测试；拍摄视频动画后对图像进行分析无需专用设备，任何人员和机构均有能力实现，但精度不高，不宜用作定量测量，只能作为定性判别的依据；用光电传感器测量精度高，测试过程不涉及受试样品的电路，测试过程简便，是适合专业机构和大量测量的方法。

本文提出了一种改进的光电传感器测量方法，即以硅光电池作为传感器，用示波器接收信号，并且根据医用报警信号的实际设计差异，提出在硅光电池前端增加滤光片和输出端增加放大电路的方法，解决了液晶模拟闪烁信号的信号色与背景色区分度低、信号强度弱的测试难点，同时仍然能够适合LED报警灯的测试。这种方法能够广泛应用于各种医用电气设备和医用电气系统的视觉报警信号测试，针对目前大量医疗器械如呼吸机、麻醉机、监护仪等必须符合的报警信号标准要求，给出了具有广泛适用性和一致性的测试方法，消除了测试中的人为误差。

[1] 国家食品药品监督管理局. YY 0709-2009 医用电气设备 第1-8部分：安全通用要求 并列标准：通用要求，医用电气设备和医用电气系统中报警系统的测试和指南[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

国家科技支撑计划资助（2012BAI22B00，2012BAI22B04）

张赟，E-mail: zhangyun0423@sohu.com

1671-7104(2014)03-0219-03