Основы медицинской электроники

1. Основные группы медицинских электронных приборов и аппаратов.

2. Электробезопасность медицинской аппаратуры.

3. Надежность медицинской аппаратуры.

4. Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации.

5. Электроды для съема медико-биологической информации.

6. Датчики медико-биологической информации.

7. Основные понятия и формулы.

8. Задачи.

Разделы электроники, в которых рассматриваются  особенности применения электронных  устройств в медико-биологических  целях, получили название медицинской электроники.

18.1. Основные группы медицинских  электронных приборов и аппаратов

Медицинскую электронную аппаратуру можно разделить  на два класса: медицинские приборы  и медицинские аппараты.

Медицинский прибор - техническое устройство, предназначенное для диагностических или лечебных измерений (медицинский термометр, электрокардиограф и др.).

Медицинский аппарат - техническое устройство, позволяющее создавать энергетическое воздействие (часто дозированное) терапевтического, хирургического или бактерицидного свойства (аппарат УВЧ-терапии, аппарат искусственной почки и др.), а также обеспечивать сохранение определенного состава некоторых субстанций.

Выделены  следующие основные группы приборов и аппаратов, используемые для медико-биологических  целей:

- устройство для получения (съема), передачи и регистрации медикобиологической информации. Большинство этих устройств содержит в своей схеме усилитель электрических сигналов;

- устройство, обеспечивающее дозирующее воздействие на организм различных физических факторов с целью лечения. С физической точки зрения эти устройства являются генераторами различных электрических сигналов;

- кибернетические электронные устройства.

В ряде случаев электронное устройство может совмещать в себе различные  группы приборов и аппаратов.

18.2. Электробезопасность медицинской  аппаратуры

Главное требование при обеспечении безопасности аппаратуры - сделать невозможным  случайное касание ее частей, находящихся  под напряжением.

Для этого  прежде всего изолируют друг от друга  и от корпуса части приборов и  аппаратов, находящиеся под напряжением. Однако это еще не обеспечивает полной безопасности по двум причинам.

1. Сопротивление приборов и аппаратов переменному току небесконечно. Не является бесконечным и сопротивление между проводами электросети и землей. Поэтому при касании человеком корпуса аппаратуры через тело человека пройдет некоторый ток, называемый током утечки.

При конструировании  аппаратуры учитывают допустимую силу тока утечки, которая различна в  разных типах электромедицинских приборов и аппаратов.

Допустимая сила тока утечки - безопасная для человека сила тока, который может проходить через его тело в результате касания корпуса и других частей медицинского прибора или аппарата.

В зависимости  от типов электромедицинских изделий  эта величина изменяется в пределах 0,05-0,25 мА.

2. Из-за порчи рабочей изоляции может возникнуть электрическое замыкание внутренних частей аппаратуры с корпусом («пробой

на  корпус»). При этом доступная для  касания часть аппаратуры - корпус - окажется под напряжением.

В обоих  случаях должны быть приняты меры, которые исключали бы поражение  током человека при касании корпуса  аппаратуры.

Одним из основных способов защиты от поражения  электрическим током при работе с аппаратурой является заземление. Термин «заземление» означает электрическое соединение элементов электрической аппаратуры с землей или техническое устройство, обеспечивающее такое соединение.

Однако  не всякая электромедицинская аппаратура надежно защищена заземлением. Существуют дополнительные способы защиты, которые  не рассматриваются в данном курсе.

18.3. Надежность медицинской аппаратуры

Для медицинской  аппаратуры проблема надежности особенно актуальна, так как выход приборов и аппаратов из строя может  привести не только к экономическим  потерям, но и к гибели пациентов.

Надежность - способность изделия сохранять свою работоспособность в течение заданного интервала времени.

Способность аппаратуры к безотказной работе зависит от многих причин, учесть которые  практически невозможно, поэтому  количественная характеристика надежности имеет вероятностный характер.

Вероятность безотказной  работы Р (t) - это вероятность того, что данный прибор сохранит свою работоспособность в течение заданного интервала времени.

Количественным  показателем надежности является также

интенсивность отказов - отношение числа отказов в единицу времени dN/dt к общему числу N работающих изделий:

Знак «-» взят потому, что dN < 0, так  как число работающих изделий  убывает со временем. Наиболее характерный  вид функции (t) представлен на рис. 18.1.

Рис. 18.1. График зависимости интенсивности отказов от времени

На  графике выделены три области: 1 - период приработки, интенсивность отказов высока; 2 - период нормальной эксплуатации, интенсивность отказов сохраняет постоянное значение; 3 - период старения, интенсивность отказов возрастает.

В период нормальной эксплуатации вероятность  безотказной работы Р убывает  с течением времени по экспоненциальному  закону:

где λ - интенсивность отказов.

В зависимости  от возможных последствий отказа в процессе эксплуатации медицинские  изделия подразделяются на 4 класса:

А - изделия, отказ которых представляет непосредственную опасность для жизни пациента или персонала. Вероятность безотказной  работы при этом должна быть не менее 0,99.

Б - изделия, отказ которых вызывает искажение  информации о состоянии организма. Вероятность безотказной работы должна быть не менее 0,8.

В - изделия, отказ которых снижает эффективность  лечебно-диагностического процесса.

Г - изделия, не содержащие частей, отказ которых  возможен.

18.4. Структурная схема съема,  передачи и регистрации медико-биологической

информации

Для того чтобы получить и зафиксировать  информацию о медико-биологической  системе, необходимо иметь целую  совокупность устройств. Структурная  схема измерительной цепи представлена на рис. 18.2.

Рис. 18.2. Структурная схема измерительной цепи для получения информации

Здесь Х - измеряемый параметр биологической  системы, Y - величина, регистрируемая на выходе измерительным прибором (для  вычисления по измеренному значению У параметра Х должна быть известна зависимость У = f(X).

18.5. Электроды для съема медико-биологической  информации

Во  многих случаях первичным элементом  структурной схемы съема медико-биологической  информации являются электроды.

Электроды - проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой.

При диагностике  электроды используются не только для  электрического сигнала, но и для  подведения внешнего электромагнитного  воздействия. К электродам предъявляются  определенные требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую

стабильность  электрических параметров, быть прочными, не раздражать биологическую ткань  и т.п.

Важная  физическая проблема, относящаяся к  электродам для снятиябиоэлектрического сигнала, заключается в минимизации потерь полезной информации, особенно на переходном сопротивлении «электрод-кожа». Эквивалентная электрическая схема контура, включающего в себя биологическую систему и электроды, изображена на рис. 18.3.

Рис. 18.3. Эквивалентная схема снятия биопотенциалов. ε_бп - э.д.с. источника биопотенциалов; г - сопротивление внутренних органов; R - сопротивление кожи и электродов; R_вх - входное сопротивление усилителя

Падение напряжения на входе усилителя полезное, так как усилитель увеличивает именно эту часть э.д.с. источника. Падение напряжения I*r и I*R внутри биологической системы и на контакте кожи с электродом бесполезное. Поскольку ε_бп задана, а повлиять на уменьшение I*r невозможно, то увеличивать I*R_вх можно лишь уменьшением R, и прежде всего уменьшением сопротивления контакта «электрод-кожа».

Это можно  сделать разными способами:

•  используя салфетки, смоченные физраствором;

•  увеличивая площадь электрода (истинная картина в этом случае может искажаться, так как электрод будет захватывать сразу несколько эквипотенциальных поверхностей).

При использовании  электродов возникают две проблемы. Первая - возникновение гальванической э.д.с. в месте контакта электрода  с биологической системой. Вторая - электролитическая

поляризация электродов, приводящая к выделению  на электродах продуктов реакции  при прохождении тока. В результате возникает встречная (по отношению  к основной) э.д.с.

В обоих  случаях возникновение э.д.с. искажает снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал. Существуют способы (которые здесь не рассматриваются), позволяющие снизить или устранить  эти отрицательные явления.

18.6. Датчики медико-биологической  информации

Многие  медико-биологические характеристики являются неэлектрическими (давление крови, температура, пульс). Для того чтобы преобразовать их в электрические  сигналы, используют специальныедатчики. Такое преобразование целесообразно, так как электрические сигналы можно сравнительно легко усиливать, передавать и регистрировать.

Датчик - устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи и регистрации.

Преобразуемая величина X называется входной, а измеряемый сигнал α - выходной величиной.

Характеристика датчика - функциональная зависимость (функция преобразования) выходной величины α от входной X (описывается аналитически или графически).

Обычно  стремятся иметь датчик с линейной характеристикой α = kX, где k - постоянный коэффициент.

Чувствительность датчика S - отношение изменения выходной величины к соответствующему изменению входной величины:

S = Δα/ΔΧ. (18.4)

Предел датчика - максимальное значение входной величины, которое может быть воспринято датчиком без искажения и без повреждения датчика.

Порог датчика - минимальное изменение входной величины, которое можно обнаружить датчиком.

Датчики делятся на два класса: генераторные и параметрические.

Генераторные датчики - такие датчики, которые под воздействием входного сигнала генерируют напряжение или ток (индукционные, пьезоэлектрические, фотоэлектрические и т.п.).

Параметрические датчики - такие датчики, в которых под воздействием входного сигнала изменяется какой-либо параметр (тензометрические, емкостные, индуктивные, реостатные и т.п.).

В зависимости  от энергии, являющейся носителем информации, различают механические, акустические, температурные, оптические и другие датчики.