Электробезопасность медицинской аппаратуры

Одним из важных вопросов, связанных с использованием элек­тронной медицинской аппаратуры, является ее электробезопас­ность как для пациентов, так и для медицинского персонала.

Больной вследствие различных причин (ослабленность орга­низма, действие наркоза, отсутствие сознания, наличие электро­дов на теле, т. е. прямое включение пациента в электрическую цепь, и др.) оказывается в особо электроопасных условиях по сравнению со здоровым человеком. Медицинский персонал, рабо­тающий с медицинской электронной аппаратурой, также нахо­дится в условиях риска поражения электрическим током.

В электрической сети и в технических устройствах обычно за­дают электрическое напряжение, однако действие на организм или органы оказывает электрический ток, т. е. заряд, протекаю­щий через биологический объект в единицу времени.

Сопротивление тела человека между двумя касаниями (электро­дами) складывается из сопротивления внутренних тканей и органов

и сопротивления кожи (рис. 16.1). Со­противление R_вн внутренних частей ор­ганизма слабо зависит от общего со­стояния человека, в расчетах прини­мают R_вн = 1 кОм для пути ладонь — ступня. Сопротивление R_к кожи суще­ственно зависит от внутренних и внеш-

них причин (потливость, влажность). Кроме того, на разных участ­ках тела кожа имеет разную толщину и, следовательно, различное сопротивление. Поэтому (учитывая неопределенность сопротив­ления кожи человека) ее вообще в расчет не принимают и считают I = U/R_вн = U/1000 Ом. Так, например, I = 220/1000 А = 220 мА при U = 220 В. На самом деле кожа имеет сопротивление, которое может превосходить сопротивление внутренних органов, и сила то­ка в реальной ситуации при напряжении 220 В может быть существенно меньше 220 мА. Понятно, что при работе с электрон­ной медицинской аппаратурой должны быть предусмотрены все возможные меры по обеспечению безопасности.

Основное и главное требование — сделать недоступным ка­сание частей аппаратуры, находящихся под напряжением.

Для этого прежде всего изолируют части приборов и аппаратов, находящиеся под напряжением, друг от друга и от корпуса аппа­ратуры. Изоляция, выполняющая такую роль, называется основ­ной или рабочей. Отверстия в корпусе должны исключать возмож­ность случайного проникновения и касания внутренних частей ап­паратуры пальцами, металлическими цепочками украшений и т. п. Однако даже если части аппаратуры, находящиеся под напряже­нием, и закрыты от прикосновения, это еще не обеспечивает пол­ной безопасности по крайней мере по двум причинам.

Во-первых, какой бы ни была изоляция между внутренними частями аппаратуры и ее корпусом, сопротивление приборов и ап­паратов переменному току не бесконечно. Не бесконечно и сопро­тивление между проводами электросети и землей. Поэтому при касании человеком корпуса аппаратуры через тело человека пройдет некоторый ток, называемый током утечки.

Во-вторых, не исключено, что благодаря порче рабочей изоля­ции (старение, влажность окружающего воздуха) возникает элект­рическое замыкание внутренних частей аппаратуры с корпусом — «пробой на корпус», и внешняя, доступная для касания часть ап­паратуры (корпус) окажется под напряжением.

И в одном и в другом случае должны быть приняты меры, кото­рые исключали бы поражение током лиц при касании корпуса при­бора или аппарата. Рассмотрим эти вопросы несколько подробнее

Сила тока утечки на корпус, как и всякий ток проводимости, по закону Ома зависит от напряжения и сопротивления цепи. Цепь тока утечки схематически показана на рис. 16.2. Здесь 1 — корпус аппарата, внутри него трансформатор, первичная обмотка 2 кото­рого подсоединена к источнику напряжения сети 3. Вторичная об­мотка 4 трансформатора соединяется с рабочей частью аппаратуры (на рисунке не показана). Электрическая сеть независимо от нали­чия или отсутствия заземления всегда имеет некоторую проводи­мость относительно земли, которая определяется активным (оми­ческим) сопротивлением R₃ изоляции и заземления и емкостью С₃ проводников сети и земли. Электропроводимость между сетью и корпусом зависит соответственно от омического сопротивления ра­бочей изоляции и от емкости между внутренними частями аппара­туры, находящимися под напряжением, и корпусом, т. е. от R_ути С_ут . Все эти элементы изображены на рис. 16.2 штриховыми ли­ниями, так как они являются распределенными параметрами и не представляют реальных резисторов и конденсаторов. Штрихпунк-тирной линией на рисунке показан путь тока утечки, проходящего через тело человека, касающегося корпуса аппарата или прибора.

Так как сила тока утечки существенно влияет на безопасность эксплуатации медицинской аппаратуры, то при конструировании и изготовлении этих изделий учитывают допустимую силу этого тока как при нормальной работе приборов и аппаратов, так и в случае единичного нарушения. Под единичным нарушением по­нимают отказ одного из средств защиты от поражения электриче­ским током. По условиям электробезопасности единичное нару­шение не должно создавать непосредственной опасности для чело­века. Допустимые силы токов утечки различают по типам электромедицинских изделий в зависимости от их назначения и степени защиты от поражения током. Во всяком случае, ток утеч­ки всегда меньше порога ощутимого тока (см. § 15.2).

При пробое на корпус доступные (внешние) для касания части аппаратуры оказываются под напряжением. И в этом случае при на­рушенных условиях работы изделий следует предусмотреть возмож­ные способы защиты от поражения электрическим током. К таким основным защитным мерам относятся заземление и зануление. Для понимания физической стороны этих мер нужно знать, как электро­медицинская аппаратура подключается к трехфазной системе.

При техническом решении вопроса о наиболее экономной пере­даче переменного тока по проводам русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в конце прошлого века была предложена трехфазная система тока (трехфазный ток). Один из вариантов этой системы представлен на рис. 16.3: 1 — фазовые обмотки одного ге­нератора, в которых индуцируется переменное напряжение; 2 — нагрузки (потребители); 3 — линейные провода (они соединяют ге­нератор с потребителем). Для того чтобы потребитель в одном кон­туре трехфазной цепи не влиял на режим работы другого контура, целесообразно включить нейтральный (нулевой) провод 4. Напря­жения U_л между линейными проводами называются линейными, а между линейными и нейтральным проводом — фазовыми (U_ф). Со­отношение между фазовым и линейным напряжением следующее:

Обычно электромедицинская аппаратура присоединяется как од­нофазная нагрузка к линейному или фазовому напряжению. На рис. 16.4 показано питание аппарата или прибора линейным напря-

жением, нейтраль не заземлена. Для упрощения предположим, что линейные провода имеют совершенную изоляцию, а нейтральный провод имеет относительно земли сопротивление R_и (показано штри­ховой линией). Если бы не было защитного заземления R₃, то при пробое и касании человеком корпуса на человеке оказалось бы на­пряжение. Штрихпунктиром показана цепь, в которую оказался бы включенным человек. Из рисунка видно, что напряжение U_ф пере­распределяется между сопротивлениями R_ч тела человека, включая и сопротивление земли (пола), и R_и. Если, например, R_ч = 0,5 R_и, a U_ф = 220 В, то на человеке может оказаться 220/3 В ~ 75 В. Для за­щиты человека в этом случае необходимо заземлить корпус. Сопро­тивление R₃ заземления подсоединено параллельно R_ч. Так как R₃ мало (должно быть не более 4 Ом), то R_и » R₃ и фактически на этом сопротивлении и, следовательно, на человеке будет весьма незначи­тельное напряжение.

Существенно отметить, что благодаря значительному сопро­тивлению R_и пробой на корпус не вызовет аварийного тока, доста­точного для срабатывания предохранителя, поэтому это наруше­ние может остаться незамеченным для персонала. Однако если рядом окажется аппарат (прибор) с пробоем на корпус от другого линейного провода (другой фазы), то между корпусами двух при­боров появится линейное напряжение. Одновременное прикосно­вение к таким корпусам весьма опасно.

В настоящее время в большинстве случаев распространены трехфазные сети с заземленной нейтралью. В этом случае защит­ное заземление малоэффективно. В самом деле, при хорошем за­землении нейтрали (рис. 16.4) R_и мало, например R_и≈ R₃, напря­жение Uф перераспределится между сопротивлениями, и между корпусом и землей окажется напряжение, равное 0,5 Uф. Это

опасно для человека. Скорее всего при пробое сработает предохранитель, однако это может произойти не сразу или даже вовсе не произойти при недостаточной си­ле аварийного тока. Для того чтобы пред­охранитель сработал, используют другой вид защиты — защитное зануление, при котором корпус аппаратуры соединяют проводниками с нулевым проводом сети (рис. 16.5). В случае пробоя на корпус возникает короткое замыкание (показано штрихпунктиром), срабатывает предох­ранитель, и аппаратура отключается отистарчника напряжения. Так как всегда имеется вероятность обрыва нулевого провода, то нейтраль заземляют в нескольких местах.

Резюмируя сказанное, еще раз отметим, что защитные зазем­ления или зануления должны обеспечивать в установках с изоли­рованной нейтралью безопасную силу тока, проходящего через те­ло человека при замыкании цепи на заземленные части аппарату­ры, в установках с заземленной нейтралью — автоматическое отключение аппаратуры от электрической сети.

Выше были рассмотрены лишь основные вопросы электробезо­пасности при работе с электромедицинской аппаратурой. Так как трудно дать электротехническое описание различных ситуаций, способных повлечь несчастный случай, то ограничимся в заклю­чение лишь некоторыми общими указаниями:

— — — не касайтесь приборов одновременно двумя обнаженными руками, частями тела;

— — — не работайте на влажном, сыром полу, на земле;

— — — не касайтесь труб (газ, вода, отопление), металлических конструкций при работе с электроаппаратурой;

— — — не касайтесь одновременно металлических частей двух ап­паратов (приборов).

При проведении процедур с использованием электродов, нало­женных на пациента, трудно предусмотреть множество вариантов создания электроопасной ситуации (касание больным отопитель­ных батарей, газовых и водопроводных труб и кранов, замыкание через корпус соседней аппаратуры и т. п.), поэтому необходимо четко следовать инструкции по проведению данной процедуры, не делая каких-либо отступлений от нее.