При сухой коже сопротивление между ладонями

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 снятия биоэлектрического 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. εбп — э.д.с. источника биопотенциалов; г — сопротивление внутренних органов; R — сопротивление кожи и электродов; Rвх — 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 εбп задана, а повлиять на уменьшение I*r невозможно, то увеличивать I*Rвх 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 специальные датчики. 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.

18.7. Основные понятия и формулы

Окончание таблицы

18.8. Задачи

1. При сухой коже сопротивление между ладонями рук может достигать значения R1 = 105 Ом, а при потных (влажных) ладонях сопротивление будет существенно меньше: R2 = 1500 Ом. Найти токи, которые возникнут при контакте с бытовой электросетью с напряжением 220 В.

Решение

I1 = 220 В/105Ом = 2,2 мА (сухая кожа),

I2 = 220 В/1500 Ом = 146 мА (влажная кожа).

Ответ: I1 = 2,2 мА (сухая кожа), I2 = 146 мА ( влажная кожа).

2. В
одной группе, состоящей из 1000 медицинских аппаратов, за полгода
отказало в работе 19. В другой группе, которая состоит из 300 таких же
аппаратов, за то же время вышло из строя 13 штук. Оценить, в какой
группе более высокая возможность сохранения работоспособности изделий.

Решение

В первой группе Р1 = (1000 — 19)/1000 = 0,981. Во второй группе Р2 = (300 — 13)/300 = 0,957. Ответ: р1 = 0,981; р2 = 0,957.

3. Интенсивность отказов на протяжении некоторого периода времени постоянна и равна λ = 3х10-9хс-1. Найти вероятность безотказной работы за любые шесть месяцев этого периода.

4. Индуктивный датчик представляет собой катушку индуктивности (1), внутри которой премещается стальной стержень (2). Индуктивность
катушки, а следовательно, ее полное сопротивление являются функциями
перемещения сердечника. Функция преобразования датчика изображена на
рис. 18.4 б. Определить: а) чувствительность датчика; б) порог датчика;
в) предел чувствительности.

Рис. 18.4. Индуктивный датчик (а) и его функция преобразования (б)

Практическое занятие 8 Постоянный ток и его законы. Переменный ток. Импеданс цепи переменного тока. Импульсные токи. 1

Внешний источник Элемент электрической цепи – резистор, «подчиняется» закону Ома. Обладает свойствами проводников. Следствие Причина Свойство 2

Цепь постоянного тока Схемы соединения резисторов: Последовательная: R 1 R 2 Параллельная: R 1 R 2 3

Определить электрическое сопротивление участка цепи, содержащего резисторы R 1 = 5 Ом; R 2 = 10 Ом; R 3 = 30 Ом; R 4 = 20 Ом; R 5 = 10 Ом. 4

5

Определить токи через все резисторы цепи, подключенной к источнику напряжения U = 120 B: R 1 = 5 Ом; R 2 = 10 Ом; R 3 = 30 Ом; R 4 = 20 Ом; R 5 = 10 Ом. 6

10 20 5 10 30 Суммарное «выдуманное» напряжение: Коэффициент пересчета: 7

При сухой коже сопротивление между ладонями рук может достигать значения R 1 = 105 Ом, а при потных (влажных) ладонях сопротивление будет существенно меньше: R 2 = 1500 Ом. Найти токи, которые возникнут при контакте с бытовой электросетью с напряжением 220 В. Оценить опасность воздействия током (относительно безопасным является ток силой менее 10 м. А). 8

При согласовании источника электрической энергии с нагрузкой в нагрузку от источника передается максимальная электрическая энергия. Определить сопротивление нагрузки для согласования источника постоянного напряжения с внутренним сопротивлением r = 10 Ом с нагрузкой. 9

Закон Ома: r U 0 R Энергобаланс: 10

онденсатор емкостью С разряжается через резистор сопротивлением R так, что заряд конденсатора изменяется во времени по закону: Определить закон изменения тока. 11

(-) – ? 12

Скорость изменения пороговой силы тока выражается соотношением: Установить закон изменения силы тока, если в момент времен с соответствующее значение силы тока равно 3, 2 м. А. Изменение порогового тока за время dt Разделение переменных: 13

Таблица интегралов элементарных функций 14

Эквивалентная электрическая схема ткани: 15

Определить закон изменения силы тока при подключении участка биологической ткани с сопротивлением R и электрической емкостью С к источнику постоянного напряжения U. 16

Воздействие постоянного тока на биологическую ткань: t = 0 ключ замыкается: В момент t: Заряд конденсатора: Мгновенные напряжения в момент t на элементах: 17

Дифференциальное уравнение, описывающее поведение конкретной системы: Разделение переменных и дифференциалов – переменные к «своим» дифференциалам, все постоянные в «общую кучу» : 18

19

4 0 0 0. 5 t, с 20

По графику зависимости i = f(t), м. А оценить значения R 1, R 2, C 1. Схема в момент времени t = 0 подключена к источнику постоянного напряжения U = 10 В. Разрыв цепи 21

22

Электромагнитный контур q – заряд конденсатора в момент времени t ; u – напряжение на конденсаторе в момент t Сила тока в контуре в момент t: + — Закон сохранения энергии: 23

Вывод: 24

Пассивные элементы электрических цепей переменного тока Резистор R или r – омическое или активное сопротивление Идеальный резистор – частотно-независимый элемент u i t 25

Идеальный резистор в цепи переменного тока u i Среднее значение гармонического тока за период: t не может служить информативной характеристикой гармонического тока 26

Мгновенная мощность выделяемая в резисторе: i p t 27

Действующие значения тока и напряжения Только для резистора закон Ома: Мощность, выделяемая в резисторе — активная: R или r – омическое или активное сопротивление 28

Конденсатор в цепи переменного тока: Электрическая емкость конденсатора: С Мгновенный заряд конденсатора: Мгновенный ток через конденсатор: 29

u i t 30

Выводы: 1. Колебания тока в данной цепи «опережают» колебания напряжения на π/2 (90º). 2. Конденсатор «ведет себя» не так, как резистор. Поэтому и суммарная цепь переменного тока «ведет» себя отличительно от цепи постоянного тока: для цепи постоянного тока идеальный конденсатор – разрыв цепи Для цепи переменного тока с конденсатором: Формальный закон Ома 31

Емкостное сопротивление – частотно-зависимое 32

Эквивалентная схема замещения цепи, содержащей резистивные и емкостные элементы: φ – суммарный сдвиг колебаний тока относительно колебаний напряжения в в цепи Полное сопротивление (импеданс) подобной цепи: 33

Найти полное сопротивление переменному току, если последовательно включены резистор сопротивлением R = 6 Ом и конденсатор с емкостным сопротивлением х. C = 8 Ом. Найти полное сопротивление переменному току частотой 50 Гц, если последовательно включены резистор сопротивлением R = 6 Ом и конденсатор с емкостью С = 10 мк. Ф = 34

Определить характеристики импульсного сигнала: амплитуду, период следования импульсов, длительность импульса, скважность, коэффициент заполнения, крутизну переднего фронта. i, м. А 0, 4 0, 3 0, 2 0, 1 0 0, 5 1 t, мс 35