Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

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 RВН. примерно равно 1000 Ом на участке ладонь–стопа. Сопротивление кожи значитель­но превосходит сопротивление RВН. 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) εбп – ЭДС источника биопо­тенциалов (например, сердца); r – сопротивление внутренних тканей системы; RКЭ – суммарное сопротивление кожи и электродов; RВХ – входное сопротивление усилителя.


Согласно закону Ома:

εбп = Ir + IRКЭ + IRВХ = IRi + IRВХ, где Ri = r + RКЭ.

Чтобы увеличить падение напряжения на входе усилителя UВХ=IRВХ, необходимо уменьшить до минимума RКЭ, так как повлиять на падение напряжения на r невозможно. Для уменьшения RКЭ 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 ≠ tT) в цепи возникает термо-ЭДС. Идущий по цепи ток фиксируется электроизмерительным прибором, шкалу которого можно проградуировать в градусах. Для термопары E = α(tT – 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







Дата добавления: 2015-09-19; просмотров: 3222. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2021 год . (0.008 сек.) русская версия | украинская версия