Классификация медицинского электронного оборудования
Электронное медицинское оборудование интенсивно используется во всех областях медицины. Прогресс в диагностике и лечении зависит от степени использования различного рода специального оборудования. Медицинская электроника является областью электрической технологии, которая занимается разработкой и эксплуатацией медицинского электронного оборудования.
Все множество медицинских электронных приборов можно классифицировать в общих чертах в несколько групп:
a) диагностические приборы, предназначенные для получения информации относительно состояния организма пациента;
б) приборы, предназначенные для всех видов лечения, включая физиотерапевтические приборы;
c) компьютеры, предназначенные для обработки и сохранения медицинской информации.
Основы безопасного проектирования
Каждый медицинский прибор должен быть безопасным по ряду критериев, предъявляемых нормами безопасности. Безопасность каждого прибора гарантирована его правильной конструкцией. Существует несколько классов медицинских устройств по безопасности, гарантирующей защиту пациентов и медицинского персонала от электрической травмы.
Класс 0 - безопасность устройств гарантируется только электрической изоляцией. Это устройства повседневного использования, которые не предназначены специально для лечебных целей.
Класс І - безопасность гарантируется не только электрической изоляцией, но также заземлением прибора. Разъем прибора должен быть оснащен заземлением.
Класс 0I - заземление достигается проводником, который должен быть отведен на специальный терминал.
Класс II - прибор имеет не только основную, но также дополнительную расширенную электрическую изоляцию. Прибор этого класса не имеет заземления.
Класс III - кроме электрической изоляции, безопасность от электрической травмы гарантируется автономным низковольтным блоком питания (менее чем 24 вольт).
Физические основы медицинского проектирования. Полупроводники. Зонная теория.
Наиболее часто медицинское электронное оборудование включает различные полупроводниковые компоненты: полупроводниковые диоды, транзисторы и т.п. Полупроводники - вещества, занимающие по электропроводности промежуточное положение между проводниками и изоляторами.
В металлах валентная зона и зона электропроводности могут перекрываться. Электроны валентной зоны становятся электронами электропроводности. У металлов таких электронов много, поэтому они являются хорошими проводниками электрического тока.
В изоляторах энергетические уровни валентной зоны полностью заполнены электронами. Полоса электропроводности пустая. Две полосы разделены широкой запрещенной энергетической полосой. При комнатной температуре электроны не могут приобрести достаточную энергию для перемещения из зоны валентности в зону электропроводности.
В полупроводниках (кремний, германий и т.п.) вся энергетические уровни в зоне валентности также заняты электронами. Но запрещенная зона между зонами валентности и электропроводности достаточно узкая. При нормальной температуре энергия некоторых электронов валентности достаточна для того, чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны электропроводности, где они могут стать электронами электропроводности. Таким образом, электроны могут перемещаться как носители отрицательного заряда.
Когда электрон покидает атом, становясь свободным, образуется вакантное место, или дырка. Электрон соседнего атома может заполнять эту дырку (рекомбинация). Таким образом, дырки ″перемещаются″как носители положительного заряда.
P- и n- полупроводники. P-n- переход
Чистый полупроводник имеет равное число носителей заряда обоих знаков: число электронов равно числу дырок. Добавляя в полупроводник небольшое количество примесей, можно создать преобладание определенных носителей заряда.
Атом германия, например, имеет четыре валентных электрона. Они формируют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кристаллической решетки. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов. Если их добавить к кристаллу германия, каждый из этих электронов формирует связи с четырьмя электронами соседних атомов германия. Пятый электрон остается свободным, и может перемещаться через кристалл. Это приводит к образованию некоторого числа свободных электронов. Такой смешанный полупроводник называется n-полупроводником, где "n" означает отрицательный заряд электрона. Дырок в таком полупроводник меньше, чем электронов.
Обратное получается, если к кристаллу германия добавить трехвалентные атомы, например, индий. Каждый из атомов индия в решетке германия окружен четырьмя электронами, с тремя из которых формирует ковалентные связи, а на месте четвертой связи из-за отсутствия у индия еще одного валентного электрона формируется дырка. Таким образом, происходит огромное увеличение числа дырок. Так формируется р-полупроводник, в котором основными носителями заряда являются дырки, или положительные заряды.
С помощью специального технологического процесса p- и n- полупроводники соединяют между собой, при этом образуется p-n- переход. Это соединение очень тонкое - порядка 1 микрометра. Высокая концентрация электронов на одной стороне p-n- перехода и дырок на другой стороне заставляет их перемещаться через p-n- переход в противоположных направлениях.
Электроны, которые переместились на сторону p-полупроводника, рекомбинируют там с дырками. Эти дырки, следовательно, исчезают, и на стороне p-полупроводника появляется избыточный отрицательный заряд. Аналогично в n- полупроводнике создается избыточный положительный заряд. Результатом этого является формирование разности потенциалов на границе полупроводников обоих типов, которая прекращает ток электрических зарядов через p-n- переход. Узкая область в p-n- переходе, ограничивающая ток свободных носителей заряда, называется запирающим слоем. Он ведет себя как изолятор.
p-n- переход имеет одностороннюю электрическую проводимость. Электрический ток может пройти через него только в одном направлении - из p-полупроводника в n- полупроводник. Если увеличить прикладываемую разность потенциалов, ток проходит через p-n- переход?. Такое подключение является пропускным.
Когда направление электрического тока меняется на противоположное, через p-n-переход течет малое число носителей заряда. Это запирающее подключение диода в цепь. Односторонняя электропроводность p-n-перехода используется для выпрямления переменного электрического тока полупроводниковыми диодами.
Полупроводниковый диод состоит из кристалла, часть которого n-типа и часть p-типа. Он позволяет току проходить только в одном направлении и эффективно блокировать ток в другом направлении. Используется для преобразования переменного электрического тока в постоянный ток.
Транзистор
Транзистор используется как усилитель электрического тока. Биполярный транзистор сделан из трех слоев p- и n- полупроводников. Они называются соответственно эмиттер (E), база (B) и коллектор (C). База умышленно делают очень тонкой. Функцией эмиттера является впрыскивание большого числа носителей заряда в базу. Коллектор извлекает их из базы.
Есть два типа транзисторов: p-n-p и n-p-n. В p-n-p- транзисторах, эмиттер p-типа, база - n- типа и коллектор p- типа. В n-p-n- транзисторах эмиттер - n- типа, база - p- типа и коллектор является n-типа. Таким образом, транзистор можно рассматривать как два p-n- перехода.
Транзисторы широко используются для усиления силы, напряжения и мощности электрического тока. Транзистор может быть размещен в нескольких режимах в цепях усилителя.
Эмиттер-база p-n-переход подключен в пропускном направлении и имеет маленькое электрическое сопротивление. Наоборот, база-коллектор p-n- переход подключен в запирающем направлении. Его характеризует высокое сопротивление, и только небольшой ток может протекать через такое соединение.
Когда ток течет через входную цепь, большинство носителей заряда (дырки) легко проникают в базу. Ширина базы достаточно мала, и наибольшее число дырок, поступивших из эмиттера, протекая через базу, достигает коллектора. Результатом этого служит то, что небольшие изменения входного тока в базу вызывают гораздо большие изменения силы тока в выходной цепи. В этом случае транзистор может служить в качестве усилителя силы тока. Изменяя некоторые компоненты цепи, можно увеличить напряжение и мощность.
В настоящее время широко используют цепи, которые включают много транзисторов и других компонентов.
Медицинское оборудование, предназначенное для получения информации состоянии организма. Электроды и датчики
Электроды представляют собой специальные проводники, предназначенные для записи биопотенциалов сердца, мышц, мозга и т.п. Существуют электроды различной формы и размера. Электроды, применяемые в клинике, должны иметь низкое электрическое сопротивление и передавать электрические сигналы без искажений.
Датчики представляют собой специальные устройства, предназначенные для превращения входящих неэлектрических величин (перемещения, давления, температуры, света и т.п.) в электрические сигналы. Применение датчиков необходимо для передачи, обработки и сохранения информации.
Существует два основных типа датчиков: активные (генераторные) и пассивные (параметрические). Активные датчики способны генерировать электродвижущую силу под влиянием различных видов неэлектрической энергии.
Например, пьезоэлектрический датчик, сделанный из кварца или некоторых других кристаллов, может превращать механическое давление в разность электрических потенциалов. Его можно использовать для записи артериального пульса, кровяного давления и т.п. Термоэлектрический датчик генерирует электродвижущую силу под влиянием изменения температуры.
Пассивным датчикам необходим блок питания. Они представляют собой электрическую цепь, некоторые параметры которой изменяются под влиянием неэлектрических сигналов. Существуют резистивные, емкостные, индуктивные датчики.
Все датчики характеризуются их чувствительностью, разрешением, динамическим диапазоном.
Виды усилителей и их характеристики
Электронные усилители широко применяются в медицине. Они используются для записи небольших по величине электрических потенциалов сердца, мышц и мозга человека. Они употребляются также для увеличения электрических сигналов от датчиков, управляемых различными функциями организма. Электронные усилители используются в таких многоканальных комплексах как электрографы и полиграфы в диагностических и научно-исследовательских целях.
Основной характеристикой электронного усилителя является коэффициент усиления. Существует коэффициент усиления силы тока и напряжения. Эти коэффициенты определяются как отношение изменения силы тока I (или напряжения U) на выходе к изменению силы тока (или напряжения) на входе: KI = ΔI0/ΔIi, KU = ΔU0/ΔUi
Коэффициент усиления усилителя является б
Коэффициент усиления одного транзистора, как правило, небольшой. Поэтому используют так называемые многокаскадные усилители. Они представляют собой несколько последовательно соединенных одиночных усилителей каскадов. В медицинских приборах наиболее часто применяют трех и четырех каскадные усилители (в электрокардиографах - кардиология, электромиографах - нейрофизиология, электроэнцефалографах - нейрофизиология). Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Он может достигать нескольких миллионов.
Режим работы усилителя существенно зависит от типа межкаскадной связи. Чаще всего используют усилители постоянного и переменного тока. Усилители постоянного тока способны увеличивать силу тока и напряжение как постоянного, так и переменного тока. Усилители переменного тока предназначены для увеличения силы и напряжения переменного тока.
Усилители постоянного тока используют для увеличения постоянного напряжения или электрических колебаний низкой частоты. Чаще применяют усилители переменного тока в соответствии с параметрами усиливаемого электрического колебания, что предусмотрено характеристиками соответствующих усилителей. Существуют две главные характеристики электронных усилителей: частотная характеристика (усиление-частота) и амплитудная характеристика (входной сигнал-выходной сигнал).
Коэффициент усиления усилителя зависит от частоты входных электрических колебаний. Частотная характеристика усилителя может быть представлена графиком зависимости коэффициента усиления от частоты входных сигналов.
Усилитель переменного тока имеет частотную полосу пропускания. Записываемые сигналы, частота которых находится в пределах этой полосы, увеличиваются без искажения. Кривые, характерные как для усилителей постоянного, так и для усилителей переменного тока, имеют ограничения в усилении сигналов высокой частоты из-за динамического диапазона ограничения компонентов цепи усилителя. В результате наиболее высокочастотные сигналы могут искажаться.
Амплитудная характеристика усилителя может быть представлена графиком зависимости амплитуды выходящего сигнала от амплитуды входящего сигнала. На графике есть линейная часть кривой, которая переходит в нелинейное насыщение, которое является результатом ограничения величины блока питания. Для того, чтобы избежать искажений необходимо, чтобы амплитуда входных сигналов соответствовала линейной части амплитудной характеристики усилителя.
Медицинское оборудование, предназначенное для лечения. Стимуляторы и физиотерапевтические приборы. Генераторы
Электрические импульсы различной формы и частоты широко используются в медицинской практике. Они применяются в электронных стимуляторах, различных физиотерапевтических приборах и т.п. Чаще всего используются синусоидальные и прямоугольные импульсы.
Генератор синусоидальных волн включает колебательную цепь, основной частью которой является параллельно соединенные катушка индуктивности и конденсатор. Они настроены, чтобы генератор производил синусоидальные электрические колебания частотой, зависящей от величин индуктивности L и емкости C: ω = 1/√(LC)
Электрические синусоидальные колебания, поддерживаемые положительной обратной связью через катушку, индуктивно связанную с колебательным контуром, поступают в транзистор, где усиливаются по напряжению.
Для получения прямоугольных электрических импульсов применяют мультивибраторы, пилообразных – генераторы релаксационных колебаний.
Электронные стимуляторы
Электронные стимуляторы применяют для нормализации функций некоторых органов. Одним из таких органов является сердце человека. Здоровое сердце имеет так называемую проводящую систему, способную стимулировать сокращения сердечной мышцы. В норме импульсы генерируются в синусно - предсердном узле в стенке правого предсердия. Возбуждение проводится через предсердия в атриовентрикулярный узел, который расположен в перегородке между предсердиями и желудочками. Затем импульсы проходят через пучок Гиса и вызывают сокращение обоих желудочков.
Электропроводность импульсов может нарушаться в большей или меньшей степени при определенных заболевания сердца. Чтобы нормализовать сердцебиения используют искусственные электронные сердечные водители ритма (стимуляторы). Электрод, присоединенный к тонкому проводу, вводят в сердце через вену плеча с помощью катетера. Устройство, генерирующее прямоугольные электрические импульсы соответствующей амплитуды и длительности, остается за пределами тела и поддерживает сердцебиения.
При постоянном режиме миниатюрный стимулятор устанавливается хирургически под musculus pectoralis major. Электрод вводят в сердце через вену или хирургически имплантируют на поверхность сердца. Имплантированные стимуляторы как источник энергии используют электрические батареи, которые требуют замены с регулярным интервалом, обычно каждые четыре - пять лет.
Первое поколение сердечных водителей ритма были так называемого синхронного типа. Они генерировали регулярные электрические импульсы большей частоты, чем поврежденный естественный водитель ритма сердца. После установки стимуляторы не изменяли своих характеристик. Более современные устройства – асинхронные водители ритма. Они возбуждают сердечные сокращения только в случае нарушения нормального ритма сердца. Водители ритма этого типа начинают генерировать импульсы, когда показатели естественных сердечных сокращений падают ниже нормальной величины. Такие водители ритма имеют электрод и специальное устройство, которое предназначается для обнаружения предсердных биопотенциалов.
Существует много типов стимуляторов, предназначенных для лечения нервных и мышечных болезней. Они оборудованы внешними электродами и генерируют прямоугольные или модулированные синусоидальные импульсы. Эти стимуляторы используют для лечения различных типов параличей мышц и болезненных состояний.
Аппарат дефибриллятор разработан для устранения фибрилляции желудочков, которая является очень опасным сердечным нарушением. Известно, что нормальное сердцебиение возникает, если мышечные клетки сердца возбуждаются синхронно. Фибрилляция является результатом нерегулярного и асинхронного возбуждения и сокращения кардиомиоцитов. В состоянии фибрилляции, сердце не может произвести систолу, и циркуляция крови прекращается.
Основной частью токового дефибриллятора является конденсатор, который заряжают до высокого напряжения. Он разгружается через электроды, контактирующие с телом пациента. Длительность импульса составляет почти 5-10 миллисекунд, и электрический ток достигает несколько ампер. Применение этого метода помогает, восстанавливая нормальные сердцебиения, сохранить человеку жизнь.
Электрические физиотерапевтические приборы
Переменный ток различных параметров широко применяется в электрофизиотерапии. Все медицинские приборы, использующие этот физический фактор, можно подразделить на две группы: низкочастотную и высокочастотную аппаратуру.
Низкочастотная физиотерапия осуществляется с помощью таких аппаратов как диадинамик и амплипульс. Диадинамик производит модулированные полуволны или целые волны синусоидального тока частотой 50 или 100 Гц. Электрические импульсы подают сериями, в течение которых амплитуда импульсов повышается и снижается в соответствие с глубиной модуляции. Амплипульс генерирует электрические колебания частотой пять килогерц. Они представляют собой полуволны или полные волны синусоидальных колебаний, модулированные такими же колебаниями низкой частоты.
Как диадинамик, так и амплипульс воздействуют на мембраны клеток. Они активизируют метаболизм и имеют болеутоляющий эффект. Они могут применяться для введения лекарств посредством электрофореза. Но чаще всего используются для лечения нейромышечных болезней и болевых синдромов. Диадинамик и амплипульс возбуждают нервные и мышечные клетки или нервные окончания кожи, уменьшая боль. Величина силы тока должна быть ограничена (пациент должен лишь немного ощущать действие тока).
Медицинское применение высокочастотных приборов существенно отличается. Частота электрических импульсов, которые генерируются всеми такими приборами, превышает мегагерц, а длительность одиночного импульса составляет менее одной микросекунды. Такие импульсы являются слишком короткими для инициирования возбуждения нервных или мышечных клеток. Передача таких электрических импульсов через тело не воспринимается пациентом, а интенсивность тока может быть достаточно высокой. Эффектом высокочастотной физиотерапии является нагревание тканей тела.
Чаще всего на практике используют такие методы высокочастотной физиотерапии - диатермия, индуктотермия, крайне высокочастотная терапия и микроволновая терапия.
Диатермия. Диатермия является методом физиотерапии, в котором глубокое прогревание тканей достигается использованием высокочастотного электрического тока (1-1, 5 МГЦ). Интенсивность тока может достигать одного ампера. Для ограничения плотности тока необходимо использовать большие электроды. Этот метод редко применяют в настоящее время из-за опасности ожогов.
Наоборот, методы электрохирургии (диатермоктомия и диатермокоагуляция), широко используются в медицинской практике. Различие между этим методом и диатермией состоит в форме применяемых электродов. Один из электродов имеет достаточно большую площадь, и служат в качестве простого проводника тока. Другой - имеет форму скальпеля или петли. Плотность тока на его поверхности может быть достаточно большой, что позволяет разрезать и коагулировать ткани, которые перестают кровоточить в то же самое время.
Индуктотермия. Этот метод имеет преимущество перед диатермией, поскольку является бесконтактным. Электрический ток (10-15 МГц) проходит от генератора высоких частот через специальную катушку, установленную около определенной части тела. Локальный нагрев производится вихревыми токами (токами Фуко), которые образуются в тканях при действии высокочастотного магнитного поля.
Крайне высокочастотная терапия. Этот метод также бесконтактный. Часть тела пациента устанавливают между двумя плоскими электродами, подключенными к генератору крайне высоких частот (40, 68 МГЦ). Соблюдение специальных мер предосторожности позволяет изолировать пациента от блока питания. Нагрев тканей производится, по большей части, токами смещения (электрическим полем). При такой частоте ткань, являющаяся диэлектриком, нагревается сильнее, чем проводники. При этом происходит поляризация биологических молекул. Они колеблются на крайней высокой частоте, и энергия тепла рассеивается в окружающих тканях.
Микроволновая терапия. Электромагнитные микроволны (2375 МГц) направляют на тело пациента. Они поглощаются тканями и вызывают быстрые изменения ориентации дипольных молекул. Наиболее существенное значение в этом процессе имеют молекулы воды. Следовательно, мышцы и другие ткани, богатые водой, нагреваются более существенно, чем костная или жировая ткани.