Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Медицинская электроника. Учебное пособие (практикум)
.pdf
Практическая работа 1
Частотный диапазон. Одни физиологические показатели из-
меняют свои значения быстро, а другие медленно. Многие физиологические показатели, например ЭКГ, отражают и быстрые,
и медленные изменения. Поэтому и медицинский прибор должен отслеживать быстрые и медленные изменения. Этот сложный процесс можно охарактеризовать диапазоном, или полосой
частот. Также объясняется понятие «частота». Здесь достаточно
установить, что частота выражается в циклах в секунду или герцах
(Гц) и что полоса частот, в которой прибор способен отслеживать
изменения измеряемой величины, составляет его частотный диапазон. Таким образом, частотный диапазон прибора должен соответствовать полосе частот, в которую попадают все изменения
измеряемой величины. Это основное условие адекватного представления показателя.
Отсутствие шумов. Сигнал, поступающий от преобразователя –
это изменения напряжения, соответствующие измеряемой информации. Однако наряду с сигналом в этом напряжении часто
присутствуют и другие изменения. Эти нежелательные изменения обычно называются шумом, интерференцией, помехами или
артефактами, они также участвуют в формировании результирующего сигнала, появляющегося на дисплее. Артефакт представляет собой любое искусственное изменения измеряемого показателя, такое например, которое возникает на ЭКГ при движении
пациента. Если в качестве дисплея используется экран монитора,
то помехи могут появиться в виде высокочастотных изменений,
наложенных на кривую, что придает изображению «пушистый»
вид. В стрелочных приборах или в некоторых других типах дисплеев интерференция может привести к ошибочным измерения.
Могут существовать различные источники шумов и интерференции. При регистрации электрокардиограммы, электроэнцефалограммы или других биоэлектрических потенциалов, тело пациента может действовать в качестве антенны и улавливать энергию с
частотой 60 Гц от электроламп, электропроводки или от другого
электрооборудования. Эта энергия с частотой 60Гц может также
улавливаться длинными входными кабелями прибора.
Иногда шумы генерируются внутри самой аппаратуры. Преобразователь наряду с измеряемым показателем может улавливать и другие нежелательные при данном измерении показатели.
- 11 -
Медицинская электроника
Если, например, электрод ЭКГ размещен над мышцей, то активация этой мышцы может вызвать наложение нежелательного сигнала электромиограммы на регистрируемую электрокардиограмму. В некоторых приборах предусмотрены специальные меры для
устранения или ослабления воздействия определенных видов
шумов или интерференции. Во многих случаях хорошее знание
прибора позволяет оператору принять определенные меры для
уменьшения интерференции.
Простота использования. Наиболее важным является простота наложения или крепления преобразователя к пациенту.
Очень важна простота управления прибором, например легкость
и удобство считывания данных на дисплее. Не менее важна и простота ухода за аппаратурой и ее очистки, что необходимо для правильного функционирования оборудования. Здесь можно указать
высокую механическую прочность прибора (способность прибора
правильно работать в течение продолжительного времени, даже
при возможном неправильном использовании, без поломок или
ухудшения характеристик, возможность и простоту очистки и
ожидаемый срок службы наиболее тонких и сложных (деликатных) узлов прибора.
Удобство для пациента и его безопасность. При измерении
физиологических показателей бывает необходимо подсоединить
преобразователь к такой точке организма, где эти показатели
можно измерить. Многие физиологические показатели можно измерять, размещая преобразователь вне тела или на поверхности
кожи. Измерения такого типа называют неинвазивными. Некоторые измерения требуют инвазивных методов – преобразователь
или катетер размещают внутри тела. Например, при прямом измерении артериального давления катетер с преобразователем
следует ввести внутрь артерии. Введение преобразователя в тело
обычно связано с определенным риском для пациента, поэтому
этот метод рассматривают как дискомфортный. Следовательно,
если это возможно, предпочтительнее проводить измерения с
помощью неинвазивных методов. Прибор, предназначенный для
выполнения исследований с введением преобразователя внутрь
тела, должен удовлетворять определенным требованиям. Он
должен выдерживать стерилизацию, по возможности минимизировать травмы и дискомфорт пациента. При необходимости
введения зонда-электрода непосредственно в сердечно-сосуди-
- 12 -
Практическая работа 1
стую систему, та часть прибора, которая вводится в поток крови,
должна быть нетромбогенной и непирогенной. Можно с удовлетворением отметить, что развитие техники и технологии сделало
возможным замену некоторых старых инвазивных клинических
методов, новыми неинвазивными, которые позволяют получить
аналогичную информацию. Например, эхокардиографию, при
которой для получения функциональной информации о сердце
используется ультразвуковая энергия, в настоящее время часто
применяют вместо некоторых клинических диагностических методов, которые требовали катетеризации сердца.
Однако даже использование неинвазивных приборов может
создать определенный дискомфорт для пациента. Например,
долговременное наложение ЭКГ электродов может вызвать раздражение кожи. Это необходимо учитывать и при разработке,
и при использовании медицинского электронного оборудования.
Степень дискомфорта в значительной мере зависит от длительности процедуры. Поэтому персонал должен быть подготовлен
быстро выполнять дискомфортные процедуры.
Здесь следует упомянуть и другую опасность для пациента,
возникающую при использовании медицинской аппаратуры. Когда для обследования или лечения пациента используется оборудование, получающее питание от силовых электрических линий, существует опасность поражения пациента электрическим
током. Она значительно возрастает в тех случаях, когда пациент
подсоединяется к прибору (например, к стационарному электрокардиографу или монитору ЭКГ).
Измерение физиологических показателей необходимо и при
диагностике заболеваний, и при наблюдении за процессом лечения. В любом случае измеренные значения сравнивают с так
называемыми нормальными, полученными при тех же самых измерениях у большого числа здоровых людей.
Чтобы физиологический показатель имел ценность при диагностике конкретного заболевания, необходимо иметь возможность легко его измерить, не создавая пациенту значительных
неудобств. Одни физиологические показатели, такие как температура тела и пульс, удовлетворяют этим требованиям, другие
показатели труднее поддаются измерению, и для их изучения необходима сложная электронная аппаратура.
- 13 -
Медицинская электроника
Некоторые физиологические показатели изменятся медленно, например масса тела, другие изменяются непрерывно и достаточно быстро. Мгновенное значение физиологических показателей, например напряжение электрокардиосигнала, несет мало
информации. Чтобы этот показатель был полезным, его необходимо регистрировать в течение определенного временного интервала. Запись электрокардиосигнала необходимо проводить в
течение по крайней мере одного цикла работы сердца. В некоторых случаях клинически важная информация появляется при регистрации весьма редко и физиологический показатель следует
регистрировать длительное время. Например, регистрация нарушений сердечного ритма, отклонений артериального давления.
Типы преобразователей и приборов. Имеется значительное количество различных типов чувствительных устройств (датчиков). В основном используется регистрация изменений трех
основных электрических свойств, а именно: сопротивления, индуктивности и емкости. Так, например, если заполнить тонкостенную резиновую трубочку жидкостью, проводящей электрический
ток (ртутью или солевым раствором), и оба конца жидкости присоединить к проводам, то натяжение трубки будет удлинять столб
жидкости и уменьшать ее поперечное сечение. Оба эти фактора
повышают сопротивление электрическому току, протекающему через жидкость. При помощи такого простого датчика можно получить достаточно много полезной и точной информации.
Он может быть использован, в частности, для получения данных
об изменении растяжения стенок камер сердца или окружности
артерий. Повышение электрического сопротивления возникает
и при растяжении тонкой проволочки, жестко связанной с мембраной манометра. Подобные чувствительные к растяжению
проволочки, соединенные с металлическими зажимами, могут
укрепляться и на поверхности сердца для того, чтобы измерять
силы, развивающиеся во время сокращения. Чувствительность и
надежность этих датчиков сильно возрастают при включении их в
мостик Уитстона. Индуктивность катушки, через которую пропущен электрический ток, может изменяться при движении внутри
ее металлического стержня. Такие приспособления могут быть
использованы как датчики, регистрирующие изменения размеров, так как они реагируют на изменение положения сердечника
при его колебаниях. Комбинация трех катушек – дифференциаль-
- 14 -
Практическая работа 1
ный преобразователь – в значительной мере повышает чувствительность датчика и может быть эффективно использована для
регистрации весьма слабых смещений мембраны манометра.
Пара катушек проволоки, расположенных одна против другой на
малом расстоянии, может также служить датчиком, определяющим изменение сопротивления тканей. Так, магнитное поле,
возникающее в одной катушке при пропускании через нее тока
благодаря явлениям электромагнитной индукции вызывает появление тока в соседней катушке, величина которого выражается
нелинейной функцией расстояния между катушками.
Таким образом, все типы электрических преобразователей
способны тем или другим способом уловить смещения, возникающие при прямом действии механических сил. Использование их
как датчиков, определяющих изменение размеров, ограничено
возможностью прямой фиксации их на том или ином органе. Они
широко применяются, скажем, во время хирургических операций
у человека, в острых экспериментах на животных или в хронических опытах с предварительной имплантацией датчиков.
Энергия различных видов волн и колебаний может быть использована для того, чтобы изучать внутренние органы путем прямого
преобразования энергии и без каких-либо механических посредников. Картина на экране, продуцируемая рентгеновскими лучами,
проникающими через тело, представляет собой наиболее простой
способ изучения позиций, размеров, теней и смещения внутренних органов. Ультразвуковые лучи с частотами от 2МГц и выше находят широкое применение при определении локализации и регистрации изменений структуры внутренних органов или движения
крови, что позволяет определить локализацию патологического
очага или скорость кровотока без имплантации датчиков и без всякого механического проникновения в организм. Ультразвуковые и
рентгеновские устройства хороши для исследования внутренних
органов у человека в условиях полной безопасности для организма. Результаты использования этих приборов в физиологических
и диагностических исследованиях подробно изложены в разделах,
посвященных обзору специальных устройств, применяемых в биологических и медицинских исследованиях.
Кроме того, электрические потенциалы, возникновение которых связано с распространением возбуждения по сердцу, можно зарегистрировать при помощи электродов, наложенных на
- 15 -
Медицинская электроника
поверхность тела. Электроды представляют собой изогнутые
металлические пластины, которые плотно фиксируются к коже
(предварительно покрытые либо электродной пастой, либо раствором электролита) при помощи специальных ремней, присосок
или «прищепок».
Безопасность при работе с медицинскими
электронными приборами
Электрическая энергия, рассеянная на сопротивлении, роль
которого играют ткани тела, может вызвать повышение температуры. Если температура поднимется очень высоко, то может произойти ожог.
При несчастных случаях на производстве или при аварии осветительной сети, где можно столкнуться с высоким напряжением,
рассеянная электрическая энергия может быть настолько большой, что она вызовет ожоги, охватывающие большие участки тела.
В электрохирургии концентрированный ток, поступающий от высокочастотного генератора, специально используется для разрезания тканей или коагуляции небольших кровеносных сосудов.
Электрический ток, протекающий через тело, можно считать
опасным или смертельным, если он создает в жизненно важных
органах локальные плотности тока, достаточные для нарушения
функционирования этих органов. Степень воздействия тока на
каждый орган зависит от его значения и относительного расположения точек электрического контакта данного органа тела с
источником напряжения.
Наиболее чувствительным к воздействию электрического тока
органом тела является сердце. Если ток достаточно велик, то он
может привести к полному сокращению сердечной мышцы, что
вызовет прекращение работы сердца и остановку кровообращения. Если кровообращение не будет восстановлено через несколько минут, то вследствие прекращения доступа кислорода к
тканям мозга сначала будут поражены ткани мозга, а затем наступит смерть. Если, однако, через короткий промежуток времени ток
прекратится, то сердцебиение самопроизвольно восстановится.
Сравнительно малый ток, возбуждающий только часть волокон
сердечной мышцы, может быть даже более опасным, чем ток, вызывающий сокращение всей сердечной мышцы. Такое частичное
возбуждение может изменить схему распространения электрического возбуждения в миокарде, десинхронизировать деятель-
- 16 -
Практическая работа 1
ность сердца и вызвать случайную неэффективную деятельность
мышц – фибрилляцию. При фибрилляции желудочков сердце не
в состоянии перекачивать кровь. Желудочковая фибрилляция
обычно необратима, и если она возникает, то регулярный ритм
деятельности «сердца не восстанавливается даже тогда, когда
ток прекращается». Для восстановления нормальной деятельности сердца необходимо стимулировать сердечную мышцу с
помощью достаточно сильного импульса тока от внешнего дефибриллятора. Полное сокращение всех волокон сердечной мышцы
восстанавливает синхронность работы сердечной мышцы; после
этого можно надеяться, что сердце снова начнет сокращаться
нормально. Желудочковая фибрилляция чаще всего является
причиной смерти при несчастных случаях, связанных с поражением электрическим током.
Если возникнут спазмы мышц грудной клетки вследствие
протекания электрического тока через грудную клетку или через
центр, управляющий дыханием в мозге, то может возникнуть и
дыхательный паралич. При этом ток, вероятнее всего, будет воздействовать и на сердце, так как оно тоже расположено в грудной
клетке.
Значение электрического тока, который оказывает определенное физиологическое воздействие на человека, зависит от многих факторов. При оценке физиологических воздействий, затрагивающих сердце или дыхательную систему, предполагалось, что
ток поступает в тело через электрические контакты, возникающие
в конечностях, причем проходит через грудную клетку (от руки к
руке или от руки к противоположной ноге).
У большинства людей порог ощущения кожи при легком прикосновении пальца к источнику тока составляет приблизительно
500 мкА, хотя с помощью языка можно обнаружить значительно
меньший ток. При плотном обхвате рукой порог составляет приблизительно 1 мА. Ток менее 5 мА обычно считается неопасным,
хотя при этом ощущение может быть даже неприятным и болезненным. Если, по крайней мере, один из контактов с источником
тока создался из-за того, что человек схватил проводник рукой,
то токи больше примерно 10 или 20 мА могут вызвать спазм
мышц руки, что не позволит отбросить проводник. Поэтому минимальный уровень тока, при котором возникают такие условия,
называют током отбрасывания. При токе больше 100 мА может
- 17 -
Медицинская электроника
возникнуть желудочковая фибрилляция, а при токе, большем 2 А –
длительное сокращение сердца, часто сопровождаемое дыхательным параличом.
Данных о таком воздействии тока мало, сведения в основном
ограничиваются данными о таких несчастных случаях, при которых можно восстановить ситуацию и определить ток, или информацией, полученной в опытах на животных. Из имеющихся данных
можно сделать вывод, что значение тока, при котором возникает
желудочковая фибрилляция, возрастает с увеличением массы
тела и что при очень кратких воздействиях тока для возникновения этого эффекта нужны большие токи. Из экспериментов,
проводимых с токами, диапазон значений которых лежал между
порогом ощущения и током отбрасывания, известно, что воздействие тока почти не зависит от его частоты вплоть до частот порядка 1000 Гц. Выше этой границы для возникновения того же самого эффекта ток нужно увеличивать пропорционально частоте.
Поэтому в электрохирургии для минимизации стимуляции нервов
и мышц используют высокочастотные токи.
В приведенном выше изложении интенсивность электрического воздействия всегда характеризовалась значением электрического тока. Напряжение, необходимое для создания определенного тока, зависит только от электрического сопротивления
тела, на которое влияет огромное число факторов и которое может изменяться от единиц Ом до нескольких мегаОм.
Большую часть сопротивления тела обычно составляет сопротивление кожи. Сухая неповрежденная кожа имеет большое сопротивление, создаваемое главным образом ороговевшим внешним слоем кожи, эпителием, обеспечивающим естественную
защиту от поражения электричеством.
Однако если этот слой смачивается проводящей жидкостью,
то сопротивление кожи существенно уменьшается. Если кожа
срезается или если через нее вводится проводящий объект (например, подкожные иглы), то сопротивление кожи по существу
исключается из создающейся цепи. Электродная паста, используемая при измерении биоэлектрических потенциалов, также
уменьшает сопротивление кожи за счет электролитического эффекта и за счет механического повреждения ее поверхности. При
многих медицинских процедурах необходимо вводить в тело проводящие объекты либо через естественные отверстия, либо через проколы в кожном покрове.
- 18 -
Практическая работа 1
Следовательно, в этом случае пациент лишается естественной
защиты против поражения электричеством. Из-за создающегося
малого сопротивления тела опасно большой ток может возникнуть при таких малых напряжениях, которые в обычных условиях
из-за высокого сопротивления кожи считаются безопасными для
жизни человека.
Ситуацию значительно ухудшает и то, что при проведении
определенных медицинских процедур электропроводящие катетеры вводятся не только внутрь тела, но и непосредственно
внутрь сердца (катетеризация сердца). Это необходимо для диагностики, когда следует получить пробы крови из различных отделов сердца, для введения радионепрозрачных красителей при
ангиографических процедурах или для измерения давления крови или сердечного выброса. В этих случаях катетер обеспечивает электрическое соединение с сердцем через столб жидкости,
заключенной внутри изолированного катетера. Когда для лечения
блокады сердца используется внешний носимый кардиостимулятор, то катетер с возбуждающим электродом, вводимый внутрь
сердца, позволяет создать подключение с низким сопротивлением. При использовании катетера любого типа электропроводящий катетер может создать один из двух контактов, которые соединяют тело с внешней электрической цепью. Если это случится,
то все протекающие через катетер токи будут проходить непосредственно через сердце. Следовательно, при этом плотность
тока в сердечной мышце на несколько порядков выше, чем при
приложении того же самого тока к точкам, расположенным дальше от сердца.
Чтобы тело подверглось удару электрического тока, оно должно контактировать с двумя электрическими проводниками, на
которые подано достаточное высокое напряжение, создающее
опасно большой ток. При нормальных обстоятельствах никто по
собственной воле не поставит себя в такую ситуацию. Однако
наличие неисправного оборудования и неподготовленность потребителей электроэнергии делает такие ситуации вполне реальными. Чтобы понять, как могут возникать несчастные случаи при
работе с электрооборудованием, необходимо знать принципы
работы системы распределения мощности, которая обеспечивает подачу электроэнергии к электроприборам.
- 19 -
Медицинская электроника
В электроаппаратуре нагреватель, трансформатор, мотор
или другое устройство, получающее питание от электросети,
подключают между черным и белым проводами. Следовательно,
электрический ток проходит от трансформатора через горячий
провод к прибору и возвращается через нейтральный. Оба провода по всей их длине и те участки провода, которые проложены
в самом приборе, тщательно изолируются пластиковыми, резиновыми или керамическими материалами, что предотвращает их
контакт друг с другом или с любой металлической деталью, к которой может прикоснуться потребитель. Однако иногда изоляция
нарушается, и один из проводов вступает в контакт с металлическим корпусом прибора или с какой-либо металлической деталью. Если такой контакт возникает между металлической деталью
и горячим проводом, то возникает опасная ситуация. Так как нейтральный провод соединен с землей, то металлический корпус
оказался под напряжением из-за контакта с горячим проводом.
Это может вызвать протекание опасного для жизни тока через
тело любого человека, который дотронется до корпуса, имея в то
же время контакт с заземленным объектом.
Вызовет ли этот ток только неприятный удар или он будет достаточно силен, чтобы привести к несчастному случаю вследствие
резкой мышечной контрактации или даже к смерти вследствие
желудочковой фибрилляции, это определяется сопротивлением
кожи в двух точках контакта с телом жертвы. Если область контакта
велика (так бывает, когда кто-либо притронется к металлическому
объекту) и если кожа влажна от пота, воды или какой-либо другой
жидкости организма, то ток может быть достаточно велик, что может представлять большую, а иногда и смертельную опасность.
В большинстве несчастных случаев, при которых погибли или
серьезно пострадали лица, использующие или обслуживающие
электроаппаратуру, они имели одновременный контакт с неисправным прибором и с заземленным объектом.
Любые электрофизиологические исследования необходимо
проводить при полной уверенности в безопасности оборудования и электросети, к которой подключаются приборы.
Всю ответственность за ущерб, причиненный здоровью больного вследствие неисправности оборудования и неправильного
его подключения, несет медицинский работник, непосредственно эксплуатирующий прибор. Приступая в первый раз к работе на
- 20 -
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]