КР №3 «Медицинская электроника»

КР №3 «Медицинская электроника»

Электробезопасность при работе с электромедицинской аппаратурой. Методы обеспечения безопасности

Поражение организма электрическим током может произойти в виде электрической травмы илиэлектрического удара. Электрические травмы- это результат внешнего местного воздействия тока на тело: электрические ожоги, электрометаллизация кожи, знаки тока.

Электрические ожоги являются следствием теплового действия тока, проходящего через тело человека или следствием действия электрической ду­ги, возникающей при коротком замыкании в установках с напряжением свыше 1000 вольт.

Электрометаллизация происходит при внедрении в кожу мельчайших частичек расплавленного под действием тока металла.

Электрические знаки тока представляют собой поражения кожи в виде резко очерченных округлых пятен, возникающие в местах входа и выхода тока из тела при плотном контакте с находящимися под напряжением частями.

Электрические удары - это возбуждение тканей организма под действием тока, сопровождающиеся судорожным сокращением мышц. Электрические удары могут вызвать тяжёлые повреждения внутренних органов: сердца, лёг­ких, центральной нервной системы и др. В результате электрического удара может наступить расстройство сердечной деятельности (нарушение ритма, фибрилляция желудочков сердца), расстройство дыхания, шок, в особо тяжё­лых случаях приводящие к смертельному исходу.

Методы обеспечения безопасности

При протекании тока в теле человека создаётся напряжение, которое назы­ваетсянапряжением прикосновения. Для снижения величины напряженияприкосновения и обеспечения электробезопасности устраивают защитное за­земление или защитное зануление.

Защитное заземление - это надёжное соединение прибора или его части с землёй. Сопротивление защитного заземления, применяемого при эксплуата­ции электромедицинской аппаратуры, не должно быть более 4 Ом. При нали­чии заземления ток на участке «корпус-земля» будет разветвляться, и посколь­ку сопротивление заземления 4 Ома, а человека - около 1000 Ома то, ток, про­ходящий через человека при наличии защитного заземления, оказывается зна­чительно меньшим, чем при отсутствии заземления.

Зануление - это соединение корпуса прибора с нулевым проводом сети переменного тока. При наличии зануления, в случае соединения цепи с корпу­сом, в подводящих проводах возникает очень сильный ток, приводящий к пе­регоранию плавких предохранителей и выключению прибора. Однако зануле­ние аппарата не гарантирует полную электробезопасность. Если нулевой про­вод будет оборван, то соединённый с фазой корпус будет находиться под фаз­ным напряжением по отношению к земле, и прикосновение к этому корпусу будет опасно для жизни. Поэтому ддя обеспечения лучшей степени безопасно­сти аппарат не только зануляют, но и заземляют.

Электрический импульс и импульсный ток. Виды импульсов

Электрическим импульсом называется кратковременное изменение электрического напряжения или силы тока. Повторяющиеся импульсы называют импульсным током.

Токи Ледюка.

Используются и более сложныедиадинамические токи (ДДТ илитоки Бернара). Эти токи обычно используются при заболеваниях перифе­рической нервной системы (радикулит, неврит и т.д.).

Токи Бернара.

Импульсы диадинамических токов в области амплитуды напоминают си­нусоиду, поэтому их еще называют синусоидально-импульсными токами. Ис­пользуются два вида импульсов с параметрами: время импульса t= 20 мс, час­тота v— 50 Гц, и время импульса t= 10 мс, частота v= 100 Гц.

Чаще импульсы подаются на больного отдельными посылками или груп­пами. При этом основную роль играет длительность посылки и время паузы.

Применяется такжесинусоидально-модулированный импульсный ток (рис. 5.12). Иногда эту процедуру называютамплипульстерапия. Часто ис­пользуется при заболеваниях центральной и периферической нервной системы с двигательными нарушениями. При этом на больного подается переменный или выпрямленный ток частотой v— 50-150 Гц, модулированный более низкой частотой, обычно v= 4-5 Гц.

Дифференцирующая ячейка.

Если на вход такой цепи поступают прямоугольные импульсы напряжения, то форма импульса на выходе зависит от соотношения времени, необходимого для зарядки конденсатора (ι = R• С), и длительности импульса t_и.

При ι>>t_иконденсатор заряжается в начале импульса и разряжается в конце. При этом получаются два кратковременных импульса разного знака.

При ι >>t_и конденсатор успевает зарядиться частично. Форма импульса изменяется только в начале и в конце.

б) Интегрирующая цепь:

Интегрирующая ячейка.

Поступившие на вход прямоугольные импульсы напряжения вследствие заряда конденсатора в начальной части импульса и разряда его в конце создают на выходе постоянно нарастающую и постоянно спадающую формы, т.е. полу­чается импульс экспоненциальной формы (ДДТ или ток Бернара).

Получение ДДТ

Принцип диатермии

Метод индуктотермии основан на применении ЭМП частотой 10-15 МГц. Пациент при этом находится в зоне несформировавшейся волны,

Под действием магнитного поля в тканях возникают вихревые токи, нагре­вающие объект облучения. Выделяющееся в нём тепло определяется по форму­ле:

Q= k • ω²/ρ • В² ,

где ω - циклическая частота, ρ - удельное сопротивление ткани, В - индук­ция магнитного поля, k - коэффициент пропорциональности.

Принцип индуктотермии.

Обычно при индуктотермии применяется местное воздействие на орган, например, конечность 1, переменным магнитным полем (силовые линии 3) с использованием катушки из толстого электрического провода 2 (индуктора).

При этом возникают замкнутые вихревые токи 4. Индуктор выполняется в виде охватывающей конечность спирали (соленоида). Такой индуктор приме­няется для воздействия на суставы конечностей. Возможен индуктор в виде плоской спирали, налагаемой на поверхность тела, например, на грудь, индук­тор в виде одного длинного витка, используемый при воздействии на область позвоночника и т.д.

Для УВЧ-терапии \ применяютЭМП частотой40 - 50 МГц. Как и в предыдущих методах, пациент находится в зоне несформировавшейся волны. Поскольку электроды имеют форму пластин и изолированы от тела человека, биологическое действие обусловлено электрической составляющейЭМП, при­чём тепло образуется под действием тока проводимости (Q= к • Е² / ρ , где Е - напряжённость электрического поля), так и тока смещения (Q= ε • ε₀ • ω • Е² • tgδ, где δ - угол диэлектрических потерь). Тем не менее при УВЧ- терапии вклад тока смещения в тепловой эффект значительно преобладает над вкладом в него тока проводимости.

В электрическом поле УВЧ диполи стремятся следовать за изменением направления электрического поля и совершают колебания с частотой колебаний по­ля. Между отдельными диполями диэлектрика дейст­вуют силы взаимного притяжения. Для преодоления этих сил внешнее поле совершает работу, следствием чего является нагревание диэлектрика.

В отличие от диэлектриков, в растворах электролитов имеются свободные электрические заряды - ионы. В поле УВЧ ионы придут в колебание с частотой, равной частоте поля. За счёт энергии электрического поля произойдёт нагрева­ние раствора.

Примикроволновом терапии тепловой эффект создаётся только током смешения, который возникает в организме человека под действием СВЧ излу­чений. Для физиотерапевтических процедур обычно пользуются волнами дли­ной 12,7 см. Они действуют на человека в зоне сформировавшейся волны. По­этому тепловой эффект определяется плотностью потока электромагнитной волны(П):

Q= k • ε• ω • П²

Поскольку в частотный диапазон СВЧ излучений попадает характеристи­ческая частота релаксации воды, то именно водные среды организма поглоща­ют энергию СВЧ полей в наибольшей степени.

Наиболее характерной особенностью специфического действия ЭМП на организм состоит в том, что биологические системы реагируют на излучение крайне низкой интенсивности, недостаточной для нагревания и возбуждения, но такие реакции возникают не во всём диапазоне, а на отдельных частотах. Этот эффект, проявляющийся в восприятии биосистемами слабых электромагнитных излучений, исследован недостаточно. Его происхождение связано, видимо, с тем, что в процессе эволюции биологических системЭМП определённых час­тот выполняли по отношению к ним миссию носителя информации об окру­жающей среде.

7, 8. Механизм действия постоянного магнитного поля на организм. Механизм термического и атермического действия полей СВЧ на организм

В основе биофизического механизма действия постоянного магнитного по­ля лежит его действие на воду, которая в большом количестве находится в тка­нях. Вода диамагнитная. Она не имеет собственного магнитного момента и приобретает его под действием магнитного поля. В жидкой воде есть структу­ры, сходные со структурой льда - кластеры. Время жизни кластера 10^-11 - 10^-12 сек. Они то возникают, то исчезают.

В обычной жидкой воде одновременно существует плотно упакованная и квазикристаллическая вода. При помещении воды в постоянное магнитное поле происходит сдвиг в сторону образования квазикристаллической воды. Это уменьшает растворимость веществ, изменяет проницаемость клеточных мем­бран, конформацию белков.

Термическое действие полей СВЧ на организм человека связано с релак­сацией молекул и током проводимости.

Ощущение тепла (тепловой порог) возникает при интенсивности поля СВЧ порядка 10 мВт/см². Болевой порог возникает при интенсивности - 0,6 - 0,8 Вт/см².

Атермическое (физико-химическое) действие поля СВЧ: при определён­ных частотах возникает явление резонанса, и рвутся водородные связи, изменя­ется ориентация ДНК и РНК. Это действие проявляется даже при интенсивностях ниже теплового порога.

Тепловой эффект определяется плотностью потока электромагнитной волны(П):

Q= k • ε• ω • П²

Схема винтового электрода

1 – инъекционная игла; 2 – электрод из нержавеющей стали.

г) электрод из стеклообразного углерода:Конструктивно электрод выполнен в виде катушки высотой 5 мм с диаметром щёчек 4 мм и диаметром осевого цилиндра 2,5 мм. Материал имеет высо­кую электропроводность и химически более инертен, чем другие известные формы углерода.

Схема электрода из стеклообразного углерода

д) электрод из токопроводящей эмульсии: конструктивно такой электрод получают следующим образом: при помощи инъекционной иглы под кожу вво­дится токопроводящая эмульсия, где она застывает. Для получения электриче­ского контакта на поверхность кожи накладывают серебряную пластинку.

Схема датчика

ЧЭ – чувствительный элемент; ПС – преобразователь сигнала.

Классификация датчиков

Датчики
Техническая классифика­ция: (по техническо­му принципу преобразования параметра в электрический сигнал)	Генераторные(активные) Изменение регист­рируемого сигнала приводит к возник­новению или изме­нению ЭДС (не тре­буют внешнего ис­точника питания).	Параметрические(пассивные) Изменение регистри­руемого сигнала при­водит к изменению параметров (требуют внешнего источника питания).	Энергетические (активные и пассив­ные) Они сами активно воздействуют на ор­ганы и ткани. Эти датчики создают не- модулированный энергетический поток в организме, который модулируется изме­ряемым параметром.
Физическая классифика­ция: (какой физиче­ский закон ле­жит в основе преобразования)	• Термоэлектри­ческий. • Пьезоэлектриче­ский. • Индукционный.	1. Термисторный. 2. Емкостной. 3. Тензорезисторный. 4. Индуктивный.	1.Фотоэлектрический. 2. Ультразвуковой.
Медицинская классификация (по применению датчика)	1. Датчики температуры тела. 2. Датчики параметров системы дыхания. 3. Датчики параметров системы кровообращения. 4. Датчики параметров системы тканевого обмена.

13. Основные метрологические характеристики датчиков и методы их определе­ния.

1. Чувствительность датчика - отношение изменения выходного элек­трического сигнала к вызвавшему его изменению входного параметра, изме­ряемою датчиком

g = ∆y / ∆x

где ∆y - соответствующее изменение выходного электрического сигнала, ∆x - изменение входного неэлектрического сигнала.

Схема определения чувствительности датчика

Чувствительность датчика определяется по амплитудной характеристике датчика. Амплитудная характеристика датчика - зависимость ве­личины выходного сигнала электрического от величины входного неэлектрического сигнала.

Чувствительность, как метрологическая характеристика датчика, определя­ется на линейном участке амплитудной характеристики.

Амплитудная характеристика датчика

АВ – линейный участок характеристики

2.Динамический диапазон - диапазон изменения входной величины, в котором она воспроизводится в электрический сигнал без искажений.

m = x_max / x_min

m ≥ 10 -наиболее распространенный динамический диапазон для датчика.

3.Линейность датчика. Чем длиннее прямолинейный участок характери­стики, тем больше линейность датчика.

4.Время реакции датчика (τ) - минимальный промежуток времени, в те­чение которого происходит установление выходной величины, при скачкообразном изменении входной величины.

'Гак как в медицинских приборах допустимы 30% искажения, то на практи­ке под временем реакции датчика понимается промежуток времени, в течение которого выходной сигнал достигает 0,67Y_уст при скачкообразном изменении входного сигнала.

τ = Т (При У = 0,67Y_уст) - время реакции датчика.

Зная время реакции датчика, можно определить его частотный диапазон:

f_нижн= 0; f_верхн = 1/τ

Принцип определения времени реакция датчика.

5.Коэффициент нелинейных искажений

Коэффициент нелинейных искажений определяется по амплитудной харак­теристике датчика.

К_н.и. = (Y_ном – Y_реал) / Y_ном · 100%

6.Стабильность датчика - неизменность выходной величины при неиз­менности входной величины.

X = const → Y = const

7.Погрешность датчика (∆). Датчик искажает информацию Величина погрешности датчика зависит от: старения датчика (δ₁),влияния окружающей среды (δ₂), погрешности измерительною прибора (δ₃) нестабильности источни­ка питания (δ₄) и т.д.

∆ = δ₁ + δ₂ + δ₃ + δ₄.... + δ_n

14. Физические принципы работы термисторных, термоэлектрических, пьезоэлек­трических, тензорезисторных, индуктивных, емкостных и индукционных датчиков.

Термисторные датчики

Применяются для измерения температуры человеческого тела. В качестве датчиков применяются проволочные и полупроводниковые терморезисторы. В основу работы терморезисторов положена зависимость их сопротивления от температуры. Эта зависимость характеризуется величиной температурного ко­эффициента сопротивления (ТКС). При положительном ТКС с возрастанием температуры возрастает сопротивление, при отрицательном ТКС зависимость обратная.

Для полупроводникового резистора (термистора):

R = R₀ (1 – αt⁰)

Тогда по закону Ома: I = U/R

Из приведенных формул следует, что изменение температуры среды, в ко­торую помешается датчик, приводит к изменению сопротивления датчика. Это изменение сопротивления, которое прямо пропорционально изменению темпе­ратуры. с помощью внешнего источника питания с напряжением I преобразу­ется в соответствующее изменение величины электрического тока. Таким обра­зом, данный датчик является параметрическим (пассивным).

Термоэлектрические датчики

В основе работы лежит принцип возникновения термоэлектродвижущей силы между двумя спаями разнородных металлов, если они находятся при раз­личных температурах. Такое соединение носит название термопара. Например, железо и константан.

ε = α(Т₂ – Т₁)

Таким обрезом, данный датчик сам генерирует электрический сигнал, ко­торый прямо пропорционален изменению температуры. Поэтому данный дат­чик является генераторным (активным).

Пьезоэлектрические датчики

В основе принципа работы датчика лежит явление прямого пьезоэлектри­ческого эффекта, состоящего в возникновении электрических зарядов разных знаков на поверхности кристалла при его механической деформации. Обратный пьезоэлектрический эффект возникновение деформации тела при изменении разности потенциалов между его поверхностями. Таким свойством обладают кварц, турмалин (природные материалы) и синтетические - титанат бария, сегнетова соль.

ε_р = φ(δ)

где δ - механическое напряжение.

Таким образом, данный датчик также является генераторным (активным).

Тензорезисторные датчики

В основе их работы лежит свойство материалов изменять свое электриче­ское сопротивление вследствие их механической деформации. Датчики бывают проволочные. полупроводниковые. При изменении их размеров, например дли­ны L, под действием внешней силы F меняется величина их сопротивления R = f(L)

Таким образом. при изменении величины силы, прямо пропорционально изменяется и сопротивление проводника. По закону Ома это изменение сопро­тивления может быть преобразовано в соответствующий электрический сигнал (величину электрического тока). Данный датчик также является параметриче­ским (пассивным), так как требует внешнего источника питания.

Емкостные датчики

Принцип работы такого датчика заключается в изменении его емкости при воздействия внешней силы. Конструктивно их выполняют в виде конденсатора. При изменении расстояния между обкладками конденсатора меняется его ёмкость. Если включить такой датчик я цепь переменного тою. то изменение ем­кости приведет к изменению и емкостного сопротивления Х_с = 1/(ωС) • где ω - циклическая частота. С - электроёмкость.

По закону Ома для цепи переменного тока это изменение емкостного со- противления может быть преобразовано в величину переменного тока: ~I=~U/X_C

Данный датчик также является пассивным.

Индуктивные датчики

Датчики индуктивного типа преобразовывают изменение перемещения или давления в изменение индуктивности. Изменение индуктивности приведет к изменению индуктивного сопротивления: Х_L= ωL

По закону Ома для цени переменною тока это изменение индуктивного сопротивления может быть преобразовано в величину переменного тока: ~I=~U/X_L

Данный датчик является пассивным.

Индукционные датчики

Принцип действия таких датчиков основан на явлении электромагнитной индукции Конструктивно такие датчики представляют катушку с намагничен­ным ферромагнитным сердечником. При перемещении сердечника внутри ка­тушки (или катушки относительно сердечника) в ней генерируется ЭДС. про­порциональная скорости изменения магнитного потока: ЭДС = - ∆Ф / ∆t

Из данной формулы следует, что индукционный датчик является актив­ным (генераторным).

15. Устройство и принцип действия датчиков температуры (термисторный и термо­электрический датчики). Их преимущества и недостатки. Температурный коэффициент сопротивления термисторных датчиков.

Для регистрации температуры биологических объектов используются дат­чики термоэлектрических и термисторных систем. Существуют датчики темпе­ратуры ядра (сердцевинные) и температуры кожи (поверхностные). У датчиков температуры ядра более достоверные показания, а показания датчиков темпера­туры кожи зависят от многих условий окружающей среды (влажности, одежды, волосяного покрова, кровоснабжения кожи и т.д.).

Для измерения температуры тела человека применяются пассивные датчи­ки (терморезисторы) и активные датчики (термопары).

Обычно, датчик на основе термосопротивления включается в цепь в соответст­вии с рисунком, приведенным ниже.

Е - источник питания;

R₁, R₂, R₃, R₄ - измерительный мост;

G - гальванометр;

R₄ - резистор балансировки моста;

R₂- термосопротивление.

Схема микрофонного датчика.

Схема контактного датчика

Конструктивно датчик выполнен из резиновой ленты 3 с двумя контактами 1 и 2, которые замыкаются при вдохе и размыкаются при выдохе. Недостатком измерительной системы с таким датчиком является невозможность записи ды­хательной кривой. Данный датчик является пассивным, так как требует внеш­него источника питания.

Схема турбинного датчика

Турбинный датчик является также энергетическим, так как отражённый световой поток модулируется объёмом вдыхаемого или выдыхаемого воздуха.

Датчик оксигемографа

Датчик позволяет регистрировать насыщенность крови оксигемоглобином.

1 - светофильтр для получения

мо­нохроматического света;

2 - ткань;

3 - фотосопротивление;

4 - источник света.

Частотные характеристики усилителя постоянного (А) и усилителя переменного (Б) тока.

Для определения частотного диапазона усилителя определяют уровень за­тухания 3 децибела (0,7 от максимального значения коэффициента усиления) и по точкам пересечения этого уровня с характеристикой определяют граничные частоты: нижнюю - v_н и верхнюю - v_в.

5. Входное и выходное сопротивление усилителя.

Рассмотрим эквивалентную схему входной цепи диагностического прибора:

Сигнализирующие устройства

Различают звуковые и световые устройства. Они применяются для сигна­лизации о выходе контролируемого параметра за установленные пределы или о наличии аварийной ситуации.

Принтеры

Принтеры - это печатающие устройства.

Основные требования к принтерам: малые габариты, высокое качество печати, цветная печать, многообразие шрифтов, много копий, низкая стоимость. В настоящее время существует следующая классификация принтеров:

Остановимся на устройстве некоторых принтеров:

а) литерные - электрические пишущие машинки, управляемые ЦВМ, например, «Консул» -10 знаков в секунду.

б) матричные (мозаичные) - в них изображение формируется из множества точек, оставляемых ударами тупых иголочек по красящей ленте. Таких иголочек до 48 штук. Выводят алфавитно-цифровую и графическую информацию. Скорость вывода информации до 150 знаков в секунду.

в) пьезоэлектрические (дискретного действия) - переменное напряжение вызывает периодическое сжатие - расслабление пьезокристалла, что вызывает разрежение-сжатие в камере, и чернила при этом то засасываются, то выб­расываются на бумагу. Пишущий узел управляется ЦВМ. Скорость записи до 100 знаков в секунду.

г) принтеры непрерывного действия (струйные) - жидкая краска тонкой непрерывной струей, фактически мелкими каплями, выдавливается из емкости в сторону бумаги. Летящие капельки отклоняются электрическим полем, которое управляется с помощью ЦВМ. Скорость записи до 100 знаков в секунду.

Недостаток необходимо время для высыхания краски после завершения печати.

д) ленточные принтеры - представляют собой быстро движущуюся ленту с литерными знаками. В устройстве имеются электромагнитные молоточки, при срабатывании которых через красящую ленту на бумаге набирается строка. Далее бумага продергивается и набирается новая строка и т.д. Управляется с по­мощью ЦВМ. Скорость записи 20 - 25 строк/сек.

е) феррографическне принтеры - имеется быстро вращающийся барабан с магнитным покрытием и ряд магнитных головок, на которые подабтся полез­ный сигнал. Барабан намагничивается. В местах намагничивания осаждается магнитная краска, которая в дальнейшем прижимным роликом вдавливается в бумагу. При этом достигается высокое разрешение печати (до 70-90 точек на 1 мм) и высокая скорость печати (до 600 страниц в минуту).

Вдвухкоординатных плоттерах предусмотрено движение пишущего узла в двух координатах.

Воднокоординатмых плоттерах предусмотрено движение пишущего узла в одном направлении. Вторую координату задает бумага на барабане с возможностью возвратно-поступательного движения.

Системы вывода речевой информации

В компьютере имеется словарь. Из него выбираются слова, и с помощью синтезаторов выдается речь.

Типичный вид ЭКГ

КР №3 «Медицинская электроника»