Основы медицинской электроники

Содержание:

1.Введение……………………………………………………………..2

2.Основная часть……………………………………………………….

2.1. Основные    группы    медицинских     электронных    приборов    и  аппаратов………………………………………………………………….3

2.2. Электробезопасность  медицинской аппаратуры. ………………..4

2.3. Надежность медицинской  аппаратуры……………………………..7

2.4. Специфика и классификация  физических измерений в медицине…9

2.5.  Структурная   схема   съема,   передачи   и   регистрации   медико- биологической информации. ……………………………………………….11

2.6.  Электроды для съема  биологического сигнала. ……………………12

2.7. Датчики медико-биологической  информации. ………………………..14

2.8. Усилители биоэлектрических  сигналов. ………………………………15

2.9. Передача сигнала.Радиотелеметрия……………………………………16

3. Заключение………………………………………………………………..18

4. Список литературы……………………………………………………....19

1. Введение

Физика, как и любая другая наука, развивалась и развивается в связи с потребностями общества, ее прогресс стимулируется практическими задачами. В свою очередь,, развитие физики способствует решению практических, в том числе и технических, проблем. Так, например, в результате достижений в области исследований электромагнитных явлений получили бурное развитие соответствующие отрасли техники: электро- и радиотехника. Постепенно многие разделы радиотехники стали именовать радиоэлектроникой или электроникой. Электроника — прикладная отрасль знаний. Одно из распространённых применений электронных устройств связано с диагностикой и лечением заболеваний. Разделы электроники, в которых рассматриваются особенности применения электронных систем для решения медико-биологических задач, а также устройство соответствующей аппаратуры, получили название медицинской электроники.

Целью данной работы является:

1. Изучение разделов электроники, в которых рассматриваются особенности применения электронных систем для решения медико-профилактических задач.
2. Ознакомление с применением электронных устройств с диагностической и лечебной целью.
3. Ознакомление с навыками отбора литературы и методикой приобретением знаний.

2.1 Основные группы медицинских электронных приборов иаппаратов.

Можно выделить следующие основные группы электронных приборов и аппаратов, используемых для медико-биологических целей. Устройства для получения (съема), передачи и регистрации медико-биологической информации. Такая информация может быть не только о процессах, происходящих в организме (биологическая' ткань, органы, системы), но и о состоянии окружающей среды (санитарно-гигиеническое назначение), о процессах, происходящих в протезах, и т.д. Сюда относится большая часть диагностической аппаратуры: баллистокардиографы, фонокардиографы, реографы и др. Для подавляющего большинства этих приборов в радиотехническом отношении характерно наличие усилителей электрических сигналов. К этой группе можно отнести и электромедицинскую аппаратуру для лабораторных исследований, например рН-метр. Электронные устройства, обеспечивающие дозирующее воз¬действие на организм различными физическими факторами (ультразвук, электрический ток, электромагнитные ноля и др.) с целью лечения: аппараты микроволновой терапии.аппараты длялектрохирургии, кардиостимуляторы и др. С физической точки •фения эти устройства являются генераторами различных электри¬ческих сигналов. Кибернетические электронные устройства: а) электронные вычислительные машины для переработки, хранения и автомати¬ческого анализа медико-биологической информации; б) устройства для управления процессами жизнедеятельности и автоматического регулирования состоянием окружающей человека среды; в) элект¬ронные модели биологических процессов и др. Применение электронных медицинских приборов и аппаратов повышает эффективность диагностики и лечения и увеличивает производительность труда медицинского персонала.

2.2ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ 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 R внутренних частей организма слабо зависит от общего состояния человека, в расчетах принимают R = 1 кОм для пути ладонь — ступня. Сопротивление R кожи значительно превосходит сопротивление внутренних органов и существенно зависит от внутренних и внешних причин (потливость, влажность).) Кроме того, на разных участках тела кожа имеет разную толщину и, следовательно, различное сопротивление 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, цепочками для 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  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. Защитные заземления илизанулениядолжны обеспечивать в установках с изолированной нейтралью безопасную силу тока, проходящего через тело человека при замыкании сети на заземленные части аппаратуры, в установках с заземленной нейтралью — автоматическое отключение аппаратуры от электрической сети.Однако не всякая электромедицинская 'аппаратура надежно защищена заземлением или занулением. В зависимости от способа дополнительной защиты от поражения током питающей сети аппаратура делится на четыре класса:

 — изделия, у которых  кроме основной изоляции предусмотрено совместное подключение питающего напряжения и заземления (зануления) доступных для прикосновения металлических частей. Так, например, это может быть сделано с помощью трехпроводного сетевого шнура и трехконтактной вилки. Два провода шнура служат для подведения Напряжения, а третий является заземляющим. При вставлении вилки в розетку сначала присоединяется заземление, а затем сетевое напряжение.

— изделия, которые отличаются от изделий класса I только тем, что имеют отдельный зажим (клемму) на доступных для прикосновения металлических частях с целью присоединения их к внешнему заземляющему (зануляющему) устройству. На рис. 20.5, б показано место защитного заземления (зануления). Применение изделий класса 01 имеет временный характер* в дальнейшем эти изделия должны быть заменены соответствующими класса I.

— изделия, которые кроме основной изоляции имеют и дополнительную. Возможно вместо основной и дополнительной изоляции наличие усиленной изоляции. У аппаратуры этого класса нет приспособлений для защитного заземления. На рис. 20.5, в показан ввод сетевого шнура (или кабеля) для изделий Этого класса.

— изделия, которые рассчитаны на питание от изолированного источника тока с переменным напряжением не более 24 В или с постоянным напряжением не более 50 В и не имеют внешних или внутренних цепей с более высоким напряжением. Изделия этого класса также не имеют приспособления для защитного заземления.

 В заключение хотелось бы сказать:

• не касайтесь приборов одновременно двумя обнаженными руками, частями тела;
• не работайте на влажном, сыром полу, на земле;
• не касайтесь труб (газ, вода, отопления), 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 следует четко следовать инструкции по проведению данной процедуры, не делая каких-либо отступлений от нее.

2.3 Надежность медицинской аппаратуры

Медицинская аппаратура должна нормально функционировать. Это требование, однако, не всегда выполняется, говоря точнее, такоо требование не может выполняться сколь угодно долго, если не принимать специальных мер. Врач, использующий медицинскую аппаратуру, должен иметь представление о вероятности отказа эксплуатируемого изделия, т.е. о вероятности порчи прибора (аппарата) или его частей, превышения или понижения допустимых параметров. Устройство, не отве¬чающее техническим условиям, становится неработоспособным. Отремонтировав, его можно сделать вновь работоспособным. Во многих случаях достаточно заменить лампу или резистор, чтобы изделие вновь функционировало нормально, однако может быть и так, что аппаратура оказывается настолько устаревшей и изношенной, что экономически нецелесообразно ее ремонтировать. В связи с этим медицинский персонал должен иметь представление о ремонтопригодности аппаратуры и долговечности ее частей. Способность изделия не отказывать в работе в заданных условиях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение заданного интервала времени характеризуют обобщающим термином надежность. 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. Способность аппаратуры к безотказной работе зависит от многих причин, учесть действие которых практически невозможно, поэтому количественная оценка надежности имеет вероятностный характер. Так, например, важным параметром является- вероятность безотказной работы. Она оценивается экспериментально отношением числа N работающих (не испортившихся) за время t изделий к общему числу N0 испытывавшихся изделий:

P(t)=N(t)/N0

 Эта характеристика  оценивает возможность сохранения  изделием работоспособности в  заданном интервале времени. Другим  коли-1 явственным показателем надежности является интенсивность отказов. Этот показатель равен отношению числа отказов dN к произведению времени dt на общее число N работающих элементов.В зависимости от возможных последствий отказа в процессе эксплуатации медицинские изделия подразделяются на четыре класса:А — изделия, отказ которых представляет непосредственную опасность для жизни пациента или персонала. Вероятность безотказной работы изделий этого класса должна быть не менее 0,99 п течение наработки между планово-предупредительными техническими обслуживаниями, а для изделий, не подлежащих техническим обслуживаниям (ремонт, поверка), — в течение установленного для них срока службы. К изделиям этого класса относятся приборы для наблюдения за жизненно важными функциями больного, аппараты искусственного дыхания и кровообращения и др.; Б — изделия, отказ которых вызывает искажение информации ОI состоянии организма или окружающей среды, не приводящее к непосредственной опасности для жизни пациента или персонала, либо вызывает необходимость немедленного использования аналогичного по функциональному назначению изделия, находящегося в режиме ожидания. Вероятность безотказной работы изделий этого класса должна быть не менее 0,8. К таким изделиям относятся системы, следящие за больными, 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, либо приводит только к материальному ущербу. Наработка на отказ ремонтируемых изделий этого класса и средняя наработка до отказа неремонтируемых изделий должна не менее чем в два раза превышать наработку или календарный период между планово-предупредительными техническими обслуживания ми, а для изделий, не подлежащих техническим обслуживаниям, должна быть не менее гарантийной наработки или гарантийного^ срока эксплуатации при средней интенсивности использования изделий. К этому классу относится большая часть диагностической и физиотерапевтической аппаратуры, инструментарий и др.; Г — изделия, не содержащие отказоспособных частей. Электро- медицинская аппаратура к этому классу не относится. Медикам интересно знать, что понятие надежности можно с некоторой долей условности применять и к человеческому организму, рассматривая болезнь как утрату работоспособности, лечение —как ремонт, а профилактику — как мероприятия, способствующие повышению надежности. Однако организм — сложная система и «технический» подход возможен лишь отчасти, с учетом обратных связей и процессов регулирования.

2.4 Специфика и классификация физических измерении в медецине.

Большинство измерений в медицине является измерениями физических или физико-химических величин. В коли­чественной диагностике - давление крови, временная зависимость биопотенциалов, оптическая сила глаза и др. В лабораторных анализах - вязкость крови, концентрация сахара в моче и др. При лечении важно знать дозу ионизирующего излучения, силу тока при гальванизации, интенсивность ультразвука и т. д. Отсутствие какой-либо информации подобного рода может не только снизить лечебный эффект, но и оказать пагубное действие при лечении. Количественная оценка параметров среды, окружающей человека (влажность, температура, атмосферное давление), является необходимым условием профилактики заболеваний, климатического лечения. В ряде измерений информация о связи между непосредственно измеряемой физической величиной и соответствующими медико-биологическими параметрами может быть недостаточной. Так, например, при клиническом измерении давления крови допускается, что давление воздуха внутри манжеты приблизительно равно давлению крови в плечевой артерии. Фактически равенство давлений зависит от состояния мускулатуры и ряда других факторов. Кроме того, в процессе измерения медико-биологические параметры могут изменяться, особенно при длительных измерениях, например вследствие психофизиологических факторов. Подвижность органов или самого пациента также может приводить к различным результатам измерений. Физические медико-биологические измерения могут быть классифицированы либо по функциональному признаку, либо по принадлежности к соответствующему разделу физики. Физическая классификация приведена ниже. Механические измерения: антропометрические параметры тела, перемещение, скорость и ускорение частей тела, крови, воздуха., акустические измерения, давление крови и жидкостей в организме и воздуха - в окружающей среде, измерение вибраций и т. д. Теплофизические измерения: температура органов и частей тела, калориметрические измерения биологических объектов, про дуктов питания и т. д. Электрические и магнитные измерения: биопотенциалы, индукция магнитного поля сердца, измерение импеданса биологических объектов с диагностической целью, параметров электромагнитных полей и концентрации ионов с гигиенической целью.Оптические измерения: колориметрические измерения, измерение оптических характеристик глазных сред с диагностической целью, спектральные измерения для диагностики и судебно-медицинского назначения, измерение характеристик ультрафиолетового, инфракрасного и видимого света для гигиены и т. д. Атомные и ядерные измерения: измерение ионизирующих излучений и др. Функциональный принцип классификации методов медико-биологических измерений можно проиллюстрировать на измерении параметров сердечно-сосудистой системы. Здесь встречаются механические (баллистокардиография, фонокардиография, измере­ние давления крови), электрические и магнитные (электрокардиография, магнитокардюлрафия), оптические измерения (оксигемо-метрия). Возможно применение и других физических методов: так, например, методом ядерного магнитного резонанса определяют скорость кровотока и др. Физические величины, связанные определенными закономерными зависимостями, могут быть организованы в систему. Соотно­шения между величинами системы выражаются с помощью размерностей. Размерности основных величин записываются буквен­ными символами, а размерности производных величин - произведениями размерностей основных величин в соответствующих сте­пенях. Так, например, символами L, М, Т обозначаются размерности основных величин - длины, массы, времени. Отсюда размерность скорости, которая выражается как путь, деленный на время, представится сочетанием  L / Т. В настоящее время в большинстве стран внедряется новая Международная система, получившая условное обозначение СИ