ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.

1. Основные группы медицинских электронных приборов

и аппаратов.

 

Достижения современной медицины в значительной степени обусловлены достижениями физики, электроники, техники, медицинского приборостроения.

Характерной чертой современной медицины является технизация всех служб и отделений клиник и больниц. С каждым годом медицинские учреждения пополняются новыми современными приборами и аппаратами. Можно уверенно сказать, что без электронной аппаратуры сегодня невозможна ни диагностика, ни эффективное лечение.

Медицинскими приборами и аппаратами принято считать технические устройства, предназначенные для диагностических (электромонометр, ультразвуковой эхо-локатор, электроэнцефалограф, электрокардиограф, рентгеновский аппарат и т.д.) или лечебных целей (аппарат гальванизации, аппарат индуктотермии, электронные стимуляторы, аппарат УВЧ, СВЧ, лазерная установка, УФ-облучатели).

Раздел электроники, в котором рассматриваются особенности применения электронных систем для решения медико-биологических задач, а также устройство соответствующей аппаратуры, получил название медицинской электроники, которая основывается на сведениях из различных разделов физики, математики, техники, медицины, биологии, физиологии и других наук. Применения электроники в медицине весьма разнообразны, ибо это постоянно развивающаяся прикладная область знаний, позволяющая многие неэлектрические параметры биологических систем преобразовывать в электрический сигнал. Информацию, заключённую в электрическом сигнале, удобно регистрировать, а при необходимости передавать на расстояние.

Из огромного арсенала медицинских электронных приборов и аппаратов можно выделить следующие три основные группы, используемые для медико-биологических целей:

а) Устройства, предназначенные для получения (съёма), регистрации и передачи медико-биологической информации. Такая информация может касаться не только процессов, происходящих в живом организме (органы, системы), но и состояния окружающей среды (санитарно-гигиенические цели). К этой группе относится большая часть диагностической аппаратуры, а также медицинская аппаратура, предназначенная для лабораторных исследований (электрокардиографы, фоннокардиографы, балистокардиографы, ультразвуковые диагностические аппараты, реографы, шумомеры, PH-метры и др.). Для большинства этих приборов в радиотехническом отношении характерно наличие усилительных каскадов.

б) Электронные устройства, которые обеспечивают дозируемые воздействия на организм различных физических факторов (ультразвук, электрический ток, постоянное и переменное магнитное поле, электромагнитные волны различных диапазонов и др.) с лечебной целью: кардиостимуляторы, дефиблияторы, лазерные установки, аппараты УВЧ, аппараты для электрохирургии и др. С физической точки зрения большинство этих устройств являются генераторами различных электрических сигналов.

в) Кибернетические электронные устройства. Сюда относятся компьютеры, предназначенные для переработки, хранения и автоматического анализа медико-биологической информации; устройства, для управления процессами жизнедеятельности и автоматического регулирования состояния окружающей человека среды;электронные модели биологических процессов и некоторых органов (искусственная почка, сердечный клапан, аппарат кровообращения и др.).

Применение указанной электронной медицинской аппаратуры в значительной мере повышает эффективность диагностики и лечения раз­личных заболеваний.

 

2. Надёжность медицинской аппаратуры.

 

Одной из основных проблем медицинской электроники является на­дёжность аппаратуры, под которой подразумевают способность изделия не отказывать в работе в заданных условиях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение заданного интервала времени. Для медицинской аппаратуры проблема надёжности особенно актуальна, так как выход приборов из строя вызывает не только экономические потери, но и может привести к гибели пациентов. Врач, использующий медицинские приборы и аппараты, должен иметь общие представления о вероятности отказа эксплуатируемого оборудования (порчи прибора или его отдельных блоков), превышении или понижении регистрируемых им параметров. В связи с этим обслуживающий медицинский персонал должен знать о ремонтнопригодности той или иной аппаратуры и сроках службы её отдельных частей. Способность аппаратуры к безотказной работе зависит от многих причин и учестьих практически невозможно. Количественная оценка надёжности имеет вероятностный характер. Важным параметром надёжности является вероятность безот­казной работы. Она оценивается в эксперименте отношением числа N(t) работающих (не испортившихся) изделий за время t к общему числу испытанных изделий N₀:

. (1)

Эта характеристика оценивает возможность сохранения изделием рабо­тоспособности в заданном интервале времени.

Другим количественным показателем надёжности является интенсив­ность отказов λ(t). Этот показатель можно выразить как отношение числа отказов dN к произведению времени dt на общее число N

работающих элементов:

. (2)

Знак "минус" стоит потому, что стечением времени число работающих изделий будет уменьшаться (dN<0). Функция λ(t) может иметь различный вид. Наиболее характерная форма функции λ(t) изображена на графике (рис.1). На нём выделены три области:

 

I – период приработки, когда выявляются дефектные элементы изделия, проявляются скрытые пороки, возникшие в процессе изготовления изделия. Интенсивность отказов при этом достаточно велика.

II – период нормальной эксплуатации, интенсивность отказов снижается и значи­тельное время может оставаться постоянной.

III – период старения, интенсивность отказов возрастает со временем вследствие старения материалов и износа отдельных элементов.

Между вероятностью безотказной работы Р и интенсивностью отказа существует определенная зависимость, которую можно установить для II периода (λ = const). Разделив переменные в дифференциальном уравнении (2) получим:

; ; . (3)

Сравнив (1) и (3), получим: . (4)

Из (4) следует, что для случая, когда интенсивность отказов бу­дет постоянной, вероятность безотказной работы изменяется по экспоненциальному закону, который можно использовать для оценки надёжности медицинской аппаратуры.

В зависимости от возможных последствий отказов в процессе эксплу­атации медицинские изделия подразделяются на четыре класса:

А - изделия, отказ которых представляет непосредственную опасность для жизни пациента, или персонала. Для изделий этого класса Р

должно быть не менее 0,99 в течение работы между предусмотренными планом предупредительными обслуживаньями или в течение всего срока их службы. К ним относятся приборы для наблюдения за жизненно важными функциями больного (аппараты искусственного дыхания, кровообращения и др.).

Б - изделия, отказ которых вызывает искажение информации о состо­янии организма или окружающей среды. Эти отказыне создают опасно­сть для жизни пациента и персонала, и вызывают необходимость немед­ленного использования аналогичных изделий, находящихся в режиме ожидания. Для них Р равно менее 0,8 (системы, следящие за больным, аппараты для стимуляции сердечной деятельности и др.).

В - изделия, отказ которых снижает эффективность или задержи­вает лечебно-диагностический процесс в некритических ситуациях, либо повышает нагрузку на медицинский или обслуживающий персонал. Средняя наработка до отказа неремонтируемых этого класса изделий должна не менее чем в два раза превышать наработку или календарный период между планово-предупредительными техническими обслуживаньями. Для изделий, не подлежащих техническим обслуживаньям, наработка должна быть не менее гарантийного срока эксплуатации. К этому классу относится большая часть диагностической и физиотерапевтической аппаратуры, инструментарий и др.

Г - изделия, не содержащие отказоспособных частей. Электро­медицинская аппаратура к этому классу не относится.

 

3. Электробезопасность медицинской аппаратуры.

 

Одним из важных вопросов при работе с электронной медицинской аппаратурой является вопрос обеспечения электробезопасности как для пациентов, так и для обслуживающего медицинского персонала. Больной человек вследствие ряда причин (ослабленный организм, действие нарко­за, отсутствие сознания, повреждение поверхности кожи) оказывается в особо электроопасных условиях по сравнению со здоровым человеком. В условиях риска поражения электрическим током находится и медицинский персонал. Действие на организм в целом или органы человека ока­зывает электрический ток (I), который определяется значением нап­ряжения и сопротивлением . По воздействию электрического тока на организм человека различают три его значения:

Ощутимый ток (0,6 – 1,5mА) вызывает слабый зуд и лёгкое покалывание. Такой ток не является опасным для жизни, тем не менее при длительном воздействии он отрицательно сказывается на здоровье человека. Ток в 3 – 5mА вызывает уже раздражение всей кисти руки, а при токе 8 – 10mА резко усиливается боль, она охватывает всю руку, непрерывно сокращаются мышцы кисти руки и предплечья.

Неотпускающий ток (10 – 15mA) вызывает нестерпимую боль, при этом судороги так усиливаются, что пострадавший не может разжать руку, в которой находится токоведущий элемент. Ток 25 – 50mA действует не только на мышцы рук, но и на мышцы туловища, включая мышцы грудной клетки. Происходит сужение кровеносных сосудов, повышение артериального давления, пострадавший теряет сознание. Длительное действие тока может вызвать прекращение дыхания и смерть.

Фибрилляционный ток (100mA и более) проникает глубоко в грудную клетку, раздражает мышцы сердца, у человека через 1–3 секунды после начала его действия начинаются частые сокращения сердечной мышцы (фибрилл), прекращается движение крови, наступает смерть.

Ткани организма человека пред­ставляют собой неоднородный по своему составу проводник второго рода, сопротивление которогоможет меняться от различных факторов в ши­роких пределах. Это сопротивление состоитиз сопротивления внутрен­них тканей и органов и сопротивления кожи. Сопротивление R_ВН. примерно равно 1000 Ом на участке ладонь–стопа. Сопротивление кожи значитель­но превосходит сопротивление R_ВН. и существенно зависит от внутрен­них и внешних причин (влажность, потливость, толщина, повреждение кожи). Сле­довательно, без учета сопротивлениякожи при напряжении 220В ток,

проходящий через тело . Согласно сказанному прохождение тока I = 0,1A в тече­ние 3 секунд вызывает смертельный исход. На самом же деле в реальных ситуациях с учетом сопротивления кожи при U = 220В сила тока будет меньше 0,22 А. Понятно, что при работе с электронной аппаратурой должны быть предусмотрены все возможные меры по обеспечению безо­пасности.

Основное требование – сделать недоступным касание частей аппа­ратуры, находящихся под напряжением. Это достигается за счет изоля­ции деталей друг от друга и от корпуса прибора. Однако, в силу ряда причин корпус прибора может оказаться под напряжением (влажность воздуха, порча, старе­ние изоляции). Поэтому при касании корпуса прибора через тело чело­века пройдёт некоторый ток, называемый током утечки. Для предохра­нения от поражения электриче
ским током корпус приборов должен быть заземлён (рис.2).

 

Допустимаявеличина тока будет определяться в основном током утечки через заземление. Сопротивление R₃ заземления подключено параллельно сопротивлению тела человека R₂. Так как R₃ мало (должно быть не более 4Ом), то через тело человека пойдет незначительный ток, не превышающий допустимой нормы (сопротивление R₂ > R₃).

Для обеспечения безопасности можно дать некоторые общие рекомендации:

а) не касаться прибора одновременно двумя обнажёнными руками, частями тела;

б) избегать работы во влажном, сыром помещении, на земле;

в) не касаться труб (газ, вода, отопление), металлических кон­струкций при работе с аппаратурой;

г) не касаться одновременно металлических частей 2-х аппаратов.

 

4. Общая схема получения, передачи и регистрации медико-биологической информации.

 

Любое медицинское и биологическое исследование связано с по­лучением и регистрацией определенной информации. Для того, чтобы получить и зафиксировать информацию о состоянии медико-биологиче­ской системы, необходимо иметь целую совокупность устройств.

Первичным элементом при этом является устройство съёма (электроды, датчики), которое непременно должно контактировать или взаимодействовать с самой си­стемой. Все остальные элементы обычно находятся обособленно от ме­дико-биологической системы и в некоторых случаях могут быть отне­сены на значительные расстояния от исследуемого объекта. Такие измерения относятся к телеметрии. Связь между устройствами съёма при этом осуществляется либо по проводам, либо по радио (радиотелеметрия).

Структурная схема измерительной цепи представлена на рис.3. Она является общей и отражает всевозможные реальные медицинские

системы для диагностики и исследования.

 

Устройство съёма преобразует информацию медико-биологического или физиологического содержания в сигнал электронного устройства. В медицинской практике используются для этой цели электроды и дат­чики. Завершающим элементом этой цепи является средство измерений, которое отображает или регистрирует информацию о биологической сис­теме в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюда­телем. Между устройством съёма и выходным измерительным прибором могут находиться элементы, усиливающие сигнал и передающие его на расстояние.

В приведенной схеме Х означает некоторый параметр биосистемы (давление крови). Буквой Y обозначена выходная информация (величина), например, сила тока на электроизмерительном приборе (mА) или смеще­ние писчика на ленте (мм) регистрирующего прибора. Для получения истинной информации необходимо знать функциональную зависимость Y = f(X).

 

5. Электроды для съёма биоэлектрического сигнала.

 

Электроды - это проводники специальной формы, соединяющие изме­рительную цепь с биологической системой. Электроды используются в диагностике, например, для съёма биопотенциалов сердца; для подведения внешнего электромагнитного воздействия, например, в реографии. Электроды могут использоваться при лечении и при электростимуляции (гальванизация, электрофорез, УВЧ-терапия и т.д.). К электродам предъявляются определенные требования:

1. Они должны быстро фиксироваться, легко сниматься.

2. Они должны обладать небольшим переходным сопротивлением элек­трод–кожа, чтобы свести до минимума потери полезной информации. В приведенной схеме (рис.4) съёма биопотенциалов (БП) ε_бп – ЭДС источника биопо­тенциалов (например, сердца); r – сопротивление внутренних тканей системы; R_КЭ – суммарное сопротивление кожи и электродов; R_ВХ – входное сопротивление усилителя.

Согласно закону Ома:

ε_бп = Ir + IR_КЭ + IR_ВХ = IR_i + IR_ВХ, где R_i = r + R_КЭ.

Чтобы увеличить падение напряжения на входе усилителя U_ВХ=IR_ВХ, необходимо уменьшить до минимума R_КЭ, так как повлиять на падение напряжения на r невозможно. Для уменьшения R_КЭ используются марлевые прокладки, смоченные физраствором или электропроводящие па­сты. При этом необходимо требование, чтобы электроды не взаимодей­ствовали с физраствором и пастой.

3. Электроды должны иметь вполне определенную поверхность, чтобы при съёме не захватывать несколько эквипотенциальных линий и тем са­мым не искажать истинную картину электрического поля.

4. Электроды во время прохождения тока не должны давать поляри­зационную ЭДС (ЭДС поляризации противоположная по знаку БП). Чтобы избежать влияния ЭДС поляризации необходимо, чтобы ЭДС поляризации была меньше БП. Для этого электроды делают из платины, нержавеющей стали и дру­гих металлов, которые плохо взаимодействуют с ионами.

Используемые электроды в медико-биологических исследованиях мо­гут быть в виде металлических пластин с клеммами, круглого электрода с присоской и клеммой – грудной электрод.

Для исследований на клеточном уровне используют микроэлектроды. Кончик его имеет диаметр 0,5 мкм. Корпус электрода является изолято­ром, внутри находится проводник в виде электролита. Такой микроэлектрод позволяет прокалывать мембрану клетки и проводить внутриклеточные исследования.

6. Датчики медико-биологической информации.

 

Многие параметры живого организма (температура, давление, тоны сердца) нельзя снять с помощью электродов, так как им не соответствуют определённые биоэлектрические сигналы. В этом случае используются датчики (измерительные преобразователи). Датчиком называется устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удоб­ный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации.

В рамках медицинской электроники рассматриваются датчики преобразующие измеряемую величину в электрический сигнал, ко­торый может быть усилен, передан на расстояние и зарегистрирован.

Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные – это датчики, которые под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток.

Приведем примеры генераторных датчиков:

a) Пьезоэлектрические – под действием силы переменного давления (пульс) на поверхности пьезокристалла возникает переменная пьезоэлектрическая ЭДС (прямой пьезоэлектрический эффект), которую усиливают и наблюдают на экране осциллографа (рис.5).

б) Термоэлектрические – при закреплении одного спая термопары на ткани (рис.6) и поддержании второго при t₁ = const (t₁ ≠ t_T) в цепи возникает термо-ЭДС. Идущий по цепи ток фиксируется электроизмерительным прибором, шкалу которого можно проградуировать в градусах. Для термопары E = α(t_T – t₁). Удобство этого метода заключается в дистанционности и возможности измерения температуры небольших объектов, поскольку сам контакт металлов или полупроводников (явление термоэлектричества справедливо и для полупроводников) может быть сделан достаточно малых размеров.

 

в) Фотоэлектрические (фотоэлементы) – при попадании на поверхность вентильного фотоэлемента квантов света (рис.7), в нём генерируется фото-ЭДС (внутренний фотоэффект), которая может быть усилена и зарегистрирована электроизмерительным прибором. Зависимость силы фототока от освещённости (светового потока) позволяет использовать фотоэлектрические датчики в люксметрах.

г) Параметрические – это датчики, в которых под воздействием измеряемого сигнала изменяется какой либо электрический параметр. Датчики этого типа бывают: емкостные (изменяется ёмкость), реостатные (изменяется омическое сопротивление), индуктивные (изменяется индуктивность).

В зависимости от вида энергии, являющейся носителем информации, различают механические, акустические (звуковые), температурные, электрические, оптические и другие датчики.

Все датчики характеризуются функцией преобразования, представляющей зависимость выходной величины Y от входной –X, т.е. Y=f(X). Наибо­лее простым и удобным случаем является прямопропорциональная зависимость Y = kX. Она может, в зависимости от вида датчика, выражаться в Омах на миллиметр (Ом/мм), милливольтах на Кельвин (мВ/К), микроамперах на люмен (мкА/лм) и т.д.

Чувствительность датчика определяется величиной отношения изменения функции к изменению аргумента . Чувствительность датчика показывает, в какой мере выходная величина реагирует на изменение входной.

Все типы датчиков характеризуются некоторой инерционностью, т.е. запаздыванием изменения выходной величины по сравнению с входной. Дело в том, что физические процессы в датчике не происходят мгновенно, это приводит к запаздыванию изменения выходной величины по сравнению с изменением входной. Такая особенность приводит к зависимости Z от скорости изменения входной величины.

Погрешности датчиков возникают преимущественно в результате их инерционности, непостоянства функции преобразования во времени, об­ратного воздействия датчика на биологическую систему, температур­ной зависимости функции преобразования и т.д.

Все указанные датчики являются однокоординатными, записывающими изменения одного параметра. В настоящее время имеются двухкоординат­ные датчик (самописцы), которые фиксируют два различных параметра биологической системы.

ЛЕКЦИЯ №16