Классификация медицинской электронной аппаратуры 1 страница

Большое значение в медицине имеет раздел физики, имеющий самостоятельное значение, - электроника.

Всю медицинскую аппаратуру можно классифицировать как по функциональному назначению, так и по принципу действия.

I. Классификация медицинской электроники по функциональному назначению.

а) Аппаратура для функциональной диагностики:

Эта аппаратура применяется

- для получения, съёма, и передачи медико-биологической информации:

- регистрация биопотенциалов, возникающих при работе различных органов (ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ);

- регистрация неэлектрических величин электрическими при-

борами: температура, смещение тела, различные биохимические показатели и др. неэлектрические характеристики с помощью датчиков преобразуются в электрический сигнал и регистрируются (фонокардиография – исследование шумов, возникающих при работе сердца, реография - исследование объёма кровенаполнения органов и тканей и т.д.);

- эндо- и радиометрия – миниатюрная электронная аппаратура

с микрорадиогенератором (например, пилюля на конце полиэтиленового катеттера).

б) аппаратура для электростимуляции используется для физиологических исследований, а также для лечебных целей (кардиостимуляторы).

в) аппаратура для электротерапии обеспечивает воздействие на организм различными физическими факторами с целью лечения (аппарат для гальванизации – воздействие постоянным электрическим током; аппарат УВЧ – терапии – воздействие переменным электрическим полем; аппараты электрохирургии – воздействие токами высокой частоты; электростимуляторы – воздействие импульсными токами и др.)

г) aппараты для лабораторного анализа – ФЭК, рефрактометр, поляриметр и др.

д) компьютерная техника для переработки хранения, анализа и моделирования биологических процессов.

II. Классификация медицинской аппаратуры по принципу действия.

Медицинская электронная аппаратура, являясь по назначению медицинской, по принципу действия является физическими приборами. Поэтому её можно классифицировать на

а) усилители - основа приборов для функциональной диагностики;

б) выпрямители переменного тока - аппарат для гальванизации (электротерапия);

в) генераторы импульсных токов – электростимуляция здоровых и больных мышц;

г) генераторы электромагнитных колебаний – УВЧ-тера-пия, электоротомия (электрохирургия) и др.;

д) генераторы механических колебаний – аудиометр, аппарат УЗИ (функциональная диагностика);

е) генераторы оптического излучения – лазеры.

Действие электрического тока на организм.

При работе с электронной аппаратурой не исключено пора-

жение медицинского персонала и пациентов электрическим током при соприкосновении с токоведущими частями аппаратуры или с нетоковедущими металлическими частями приборов, случайно оказавшимися под напряжением или при нарушении изоляции. Поражение электрическим током может быть в виде электрического удара или электрической травмы.

Электрический удар – это возбуждение тканей организма под действием электрического тока, сопроваждающееся непро-извольным судорожным сокращением мышц. При этом воз-можны такие виды воздействия: механическое – разрыв тканей, химическое – электролиз крови (образование активных радика-лов, их взаимодействие с белковыми молекулами и разрушение белковых молекул), биологическое – поражение нервной систе-мы, нарушение дыхания и сердечной деятельности, даже смерть.

Электрическая травма – это результат внешнего местного действия тока на организм. При этом возможны ожоги кожных покровов (тепловое действие тока), электрометаллизация (внед-рение в кожу частиц расплавленного металла), знаки тока (появ-ление резкоочерченных круглых пятен на коже в местах входа и выхода тока).

Действие тока на организм зависит от вида тока, силы тока, его частоты, продолжительности воздействия, пути прохождения тока, состояния организма.

Рассмотрим действие тока от каждого фактора в отдельности.

1) От силы тока. Сила тока – основной параметр, определящий степень поражения. Экспериментальные наблюдения действия тока на организм приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1

Из таблицы мы можем сделать вывод: опасность поражения током тем больше, чем больше сила тока, идущего через человека, и в зависимости от вида тока степень поражения при одной и той же силе тока различна.

Согласно приведенной таблице, очевидно, что предельно допустимые значения силы переменного тока , а постоянного тока . Предельно допустимыми значениями называют значения силы тока, при которых организм не поражается.

Предельно допустимые значения напряжения легко установить из закона Ома для участка цепи: , но, прежде следует разобраться с величиной сопротивления тела человека.

Сопротивление тела человека складывается из сопротивления внутренних органов человека, , и сопротивления кожи . Величина существенно превосходит величину и является неопределённой, т.к. кожа имеет неодинаковую толщину на разных участках тела, и зависит от внутренних и внешних причин (потливость, влажность). Поэтому при расчете предельно допустимого значения напряжения в расчет принимают только сопротивление внутренних органов и определяют его как . Откуда для переменного тока , для постоянного .

Если же человек попадает под действие переменного тока из сети с напряжением 220 В, то ток, проходящий по телу человека,

равен и является смертельно опасным.

2) От вида тока и частоты.

Как следует из таблицы 1.1, переменный ток с частотой 50-60 Гц более опасен, чем постоянный ток. При напряжении 500 В опасность уравновешивается, а при более опасным является постоянный ток.

Ток частотой 50-60 Гц вызывает поражение, а токи высокой частоты, 10 кГц – 1 МГц, не оказывают поражающего действия на организм и их применяют для физиологических процедур

3) От времени воздействия: чем меньше время действия тока на организм, тем меньше опасность, т.к. с увеличением времени воздействия тока на живую ткань возрастает значение силы этого тока за счет уменьшения сопротивления кожи при нагреве её, что приводит к расширению сосудов, значит к усилению снабжения этого участка кровью и усилению потоотделения.

4) От пути прохождения тока в теле человека: наиболее опасен путь, когда ток проходит через головной мозг или сердце: правая рука - левая рука, левая рука –ноги, правая рука –ноги, голова ноги, голова – руки.

5) От состояния организма – наиболее восприимчивыми являются люди, страдающие болезнями сердечно-сосудистой системы, органов внутренней секреции, старики и дети.

Обеспечение электробезопасности при работе

с медицинской аппаратурой.

Итак, мы выяснили, что наиболее опасен переменный ток

частотой 50-60 Гц, а при напряжении сети смертельно опасен. Поэтому при работе с медицинской аппаратурой необ-ходимо предусмотреть все возможные меры по обеспечению безопасности. Для этого, прежде всего, изолируют части приборов и аппаратов, находящиеся под напряжением, друг от друга и от корпуса аппаратуры. Такая изоляция называется основной. Но даже при хорошей основной изоляции сопротивление приборов и аппаратов переменному току не является бесконечным. Поэтому

при касании человеком корпуса аппаратуры через тело человека может пройти некоторый ток, называемый током утечки. Кроме того, основная изоляция может испортиться (старение, влажность окружающего воздуха) и может возникнуть замыкание внутрен-них частей аппарата и корпуса (пробой на корпус), а корпус окажется под напряжением. Поэтому необходимо заранее принять меры, благодаря которым токи утечки и токи, могущие возникнуть при пробое на корпус, не проходили бы при касании аппаратуры через тело человека. В качестве таких мер служат заземление и зануление аппаратуры.

Чтобы разобраться в физических процессах при заземлении и при занулении, нужно вспомнить, как получается переменный ток, и знать, как подключается медицинская аппаратура к одно- и трехфазной системе (сети).

Переменный ток получают в генераторах, основными элементами которого являются статор с тремя обмотками (I, II и III),сдвинутыми относительно друг друга на 120⁰, и ротора – электромагнита.

При вращении ротора в обмотках статора возникают эдс индукции:

,

Рис. 1.1

а на концах обмоток напряжения:

, где w - круговая частота , и – максимальные значения эдс индукции и напряжения, соответственно.

Обмотки генератора можно соединить в виде звезды: концы обмоток соединяют вместе в один узел (т.О), из этого узла отводят нулевой провод с (рис.1.2).

В однофазной сети мединцинская аппаратура подключается к одной из обмоток (фазе) и к нулевому проводу

В трехфазной цепи подключение производят к двум фазам.

Рис. 1.2

Заземление- это преднамеренное соединение корпуса и других металлических нетоковедущих частей аппарата, которые могут оказаться под напряжением, для отвода токов утечки и токов, возникающих при коротком замыкании. Используется в однофазной цепи при изолированном, т.е. не соединённым с землёй, нулевым проводом (рис.1.3).

Рис. 1.3.

Для безопасной работы должно выполняться соотношение

, т.е. в 250 раз !

Следовательно, сопротивление заземляющего провода должно быть равным При этом сила тока, идущего через заземляющий провод значительно (в 250 раз) меньше тока, идущего через человека.

Зануление – это преднамеренное соединение корпуса прибора и металлических нетоковедущих частей аппарата, которые

могут оказаться под напряжением, с заземленным нулевым проводом, для отвода токов утечки и токов, возникающих при коротком замыкании. Используется в трехфазной цепи с землённым нулевым проводом (рис.1.4).

При пробое изоляции возникает короткое замыкание. Ток при этом будет идти по пути: корпус – нулевой провод – фазный провод -–предохранитель. Ток короткого замыкания возрастает бесконечно, предохранитель срабатывает, аппаратура отключается от электрической цепи

Рис. 1.4.

Таким образом, заземление в сетях с изолированным нулевым проводом обеспечивает безопасную силу тока, проходящего через тело человека при коротком замыкании и значительных токах утечки, а зануление в сетях с заземлённой нейтралью обеспечивает автоматическое отключение аппаратуры от сети.

Даже если приборы заземлены или занулены, при работе с медицинской аппаратурой необходимо выполнять следующие основные требования электробезопасности:

· -не касаться приборов одновременно двумя руками;

· не работать на влажном полу;

· при работе с аппаратурой не касаться труб и металлических конструкций;

· не касаться одновременно металлических частей двух аппаратов;

· связь между аппаратурой и пациентом должна быть надеж-ной: правильно наложены электроды и выбран правильный режим работы;

· аппаратура должна быть надежной и проверяться на электробезопасность не менее одного раза в год.

Классификация медицинской аппаратуры по способу

дополнительной защиты от поражающего действия

электрического тока.

Заземление и зануление не обеспечивают полную защиту от поражения током, поэтому применяют ещё и дополнительную защиту от поражающего действия электрического тока внутри самих аппаратов. В зависимости от дополнительной защиты аппаратура делится на 5 классов:

0 - аппаратура, в которой имеется только основная изоляция токоведущих частей (как в электробытовых приборах);

01 – аппаратура, имеющая отдельную клемму на доступных для прикосновения металлических частях с целью присоеди-нения их к внешнему заземляющему или зануляющему ус-тройству (электрокардиограф, аппарат УВЧ-терапии, ФЭК и др.).

I – аппаратура, имеющая основную изоляцию и совместное подключение заземления и питающего напряжения (автоматическое заземление). Такая аппаратура Вам должна быть знакома по бытовым электропечам, имеющим специальную вилку с тремя контактами: два контакта подключают прибор к сети, а третий, большей длины, подключает заземление. При включении вилки в розетку сначала включается заземление, затем сетевое напряжение.

II - аппаратура, имеющая основную и дополнительную или усиленную изоляцию (например, в аппарате для гальванизации корпус не металлический, а пластмассовый). Такая аппаратура не имеет клемм для заземления.

III - аппаратура, рассчитанная на работу с источником переменного напряжения не более 24 В или постоянного напряжения не более 50 В. Такая аппаратура не заземляется.

Надежность медицинской аппаратуры

Работая с медицинской аппаратурой, врач должен понимать, что имеется вероятность отказа её или понижения допустимых значений каких-то существенных параметров её работы. И при отказе, и при понижении параметров аппаратура более. не может быть использована Её нужно либо ремонтировать, либо не использавать вовсе. Но если аппаратура изношена физически и устарела, то ремонт её нецелесообразен. Поэтому врач должен понимать, как оценить ремонтоспособность и долговечность аппаратуры, т.е. надежность аппаратуры. Низкая надежность ме-дицинской аппаратуры опасна, т.к. выход аппаратуры из строя не

только ведет за собой экономические затраты на приобретение новой, но может привести и к гибели пациента.

Количественными характеристиками надежности являются:

1) Вероятность безотказной работы (оценивается экспериментально)

здесь – число исправных приборов за время t,

- общее число испытывавшихся приборов.

2) Интенсивность отказов

,

здесь –число отказов за время , общее число работающих приборов. Знак «-» означает, что число работающих приборов со временем убывает и

На графике функции l(t), имеющем характерный вид (рис.1.5), следует выделить три области: I -период приработки, в который проявляются скрытые дефекты, возникшие на заводе изготовителе. В этот период интенсивность отказов может быть большой; II – период нормальной эксплуатации, в который интенсивность отказов может оставаться постоянной; III – период старения; как видно из графика, интенсивность отказов возрастает в связи со старением материалов и износом деталей его.

Рис. 1.5.

По надежности аппаратуру можно классифицировать на следующие классы:

А – изделия, отказ которых опасен для жизни пациента и персонала, поэтому вероятность безотказной работы аппаратуры этого класса должна быть очень высокой - в период между плановыми ремонтами и поверками или в течение установленного срока работы (аппараты искусственного дыхания и кровообращения, приборы, следящие за жизненно важными функциями больного и др.).

Б – изделия, отказ которых для жизни не опасен, но искажает информацию о состоянии больного или окружающей среды. Вероятность отказа таких изделий должна быть не меньше 0,8 (аппараты, следящие за больным, аппараты для электростимуляции сердечной деятельности и др.).

В – изделия, отказ которых снижает эффективность или задерживает лечебно-диагностический процесс в некритической ситуации (большая часть диагностической и терапевтической аппаратуры). Надежно работать на них можно не более гарантийного срока при средней интенсивности использования их, а затем поверять или планово ремонтировать.

Г – изделия, не содержащие отказоспособных частей, но медицинская электроника к ним не относится.

Литература: 1) Ремизов А.Н. “Медицинская и биологическая физика”, стр.354-366, 2) Ливенцев Н.М. “Курс физики”, т.1, стр.

4-9

Лекция 2

Механические колебания

В общем случае колебательными процессами называют процессы, точно или почти точно повторяющиеся через одинаковые промежутки времени (вращение тела вокруг оси, движение точки по окружности, звуковые колебания, электромагнитные волны, переменный ток).

Мы начнем изучение колебаний с механических колебаний.

Свободными колебаниями называют колебания, при которых кроме воздействия определенной среды нет никаких дополнительных воздействий, т.е. колебания происходят без действия внешних сил.

Идеальными называют колебания, при которых нет воздействия среды, т.е. сила трения равна нулю, , а колебания происходят только под действием сил, принадлежащих самой колеблющейся системе.

Гармоническими называют колебания, в которых величины, описывающие колебания, изменяются по законам синуса или косинуса.

Основные характеристики колебательного движения:

1. смещение (м) - расстояние от тела до положения равновесия в любой момент времени;

2. амплитуда, (м) – максимальное смещение из положения равновесия;

3. период колебаний, (с) – время, в течение которого совершается одно полное колебание, т.е. точка проходит путь, равный четырем амплитудам. Через время повторяются значения всех физических величие, характеризующих колебания;

4. частота (с^-1 или Гц) – число полных колебаний за одну секунду, частота связана с периодом колебаний соотношением ;

5. круговая частота - число полных колебаний за 2p секунд.

Колебательное движение происходит под воздействием силы, направление которой меняется периодически на обратное. Эта сила называется возвращающей, т.к. она стремится вернуть тело или материальную точку, выведенную из положения равновесия, обратно в положение равновесия. Ёе можно найти как равнодействующую сил, принадлежащих самой колеблющейся системе:

- среда не влияет на движение тела

,

Рис. 2.1

но направлены эти силы в

противоположные стороны. Следовательно, сумма сил

, а

,

т.е. в проекции на ось

На рис. 2.2 и рис 2.3 .

Рассматривая аналогично любую другую колебательную, можно убедиться в том, что

.

Эта сила называется, кроме того, квазиупругой силой, т.к. по внешнему виду выражение её похоже на выражение для упругой силы, но природа её иная – она является равнодействующей всех сил, принадлежащих самой колеблющейся системе.

Незатухающие колебания

Незатухающие колебания могут происходить в том случае, если нет влияния среды, т.е. сила трения отсутствует. При таких колебаниях нет потерь энергии на преодоление силы трения. Это, естественно, идеальные колебания и происходят они под действием сил, принадлежащих самой колеблющейся системе, точнее, под действием возвращающей силы.

Для того, чтобы найти зависимость смещения от времени, , составим уравнение движения точки: , следовательно на точку действует только возвращающая сила . Но, рассматривая движение точки с точки зрения 2-го закона Ньютона, можно сказать, что на точку действует равнодействующая сила , где - ускорение. Т.е. можно записать,

или в скалярном виде в проекциях на ось ОХ

Т.к. , то уравнение (2.2) можно записать как

.

Разделим обе части уравнения на m и обозначим ( - собственная частота колебаний), получим дифференциальное уравнение 2-го порядка для идеальных колебаний

Решением этого уравнения является функция

или

Здесь – фаза колебания, которая характеризует смещение точки из положения равновесия в любой момент времени, а j₀ – начальная фаза колебаний.

Анализируя решение, следует отметить, что амплитуда колебаний с течением времени не меняется, т.к. нет потерь энергии точки на преодоление силы трения, и что колебание является гармоническим и длится сколь угодно долго.

График зависимости

смещения от времени приведен на рис.2.4

Рис. 2.4

Скорость движения точки определится как

где – амплитудное значение скорости.

Чтобы сравнить по фазе скорость со смещением, необходимо выразить скорость через синус, как и смещение

,

т.е. скорость опережает смещение по фазе на . График скорости приведен на рис.4.

Ускорение точки найдем как

где – амплитудное значение ускорения.

Для сравнения по фазе ускорения со смещением запишем ускорение в форме

,

откуда следует, что ускорение опережает по фазе смещение на . График ускорения представлен на рис. 2.4.

Сравнивая формулы (4), (5) и (6), замечаем что, в крайних положениях при и ускорение , а скорость . В положении равновесия при ускорение , а скорость максимальна, .

Энергия колеблющейся точки

Полная энергия колеблющейся точки складывается из ее потенциальной, _., и кинетической энергии, :

Если смещение точки описывается уравнением