Глава 20. Содержание общей и медицинской электроники

В главе наряду с изложением содержания электроники рассматриваются вопросы электробезопасности и надежности медицинской электронной аппаратуры.

20.1. ЭЛЕКТРОНИКА И НЕКОТОРЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЕЕ РАЗВИТИЯ

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 иди электроникой.

Термин «электроника» в значительной степени условный, ему трудно дать четкое определение. Правильнее всего, вероятно, под электроникой понимать область науки и техники, в которой рассматриваются работа и применение электровакуумных, ионных и полупроводниковых устройств (приборов).

Электронику в широком смысле слова (общую электронику) можно подразделить на группы либо по области применения, либо по классу используемых устройств, либо по категории теоретических вопросов. Так выделяют физическую электронику, имея в виду раздел физики, рассматривающий электропроводимость тел, контактные и термоэлектронные явления; под технической электроникой понимают те ее разделы, в которых описываются устройства приборов и аппаратов и схемы их включения; полупроводниковой электроникой называют то, что относится к применению полупроводниковых приборов, и т.п.

Иногда всю электронику подразделяют на три крупные области: вакуумная электроника, которая охватывает вопросы создания и применения электровакуумных приборов (электронные лампы, фотоэлек-

тронные устройства, рентгеновские трубки, газоразрядные приборы); твердотельная электроника, которая охватывает вопросы создания и применения полупроводниковых приборов, в том числе и интегральных схем; квантовая электроника - специфический раздел электроники, имеющий отношение к лазерам и мазерам.

Все эти примеры, с одной стороны, создают впечатление о содержании электроники, с другой стороны, лишний раз отмечают неопределенность границ электроники.

Электроника - весьма динамичная отрасль науки и техники. На базе новых эффектов (явлений) создаются электронные устройства, в том числе и такие, которые находят применение в биологии и медицине. В качестве иллюстрации рассмотрим эффект Джозефсона

В 1962 г. английский физик Б. Джозефсон предсказал, что через очень тонкий слой диэлектрика 1 (толщиной около 1 нм), расположенный между двумя сверхпроводниками 2, сможет протекать электрический ток (рис. 20.1). Вскоре такое явление было действительно обнаружено. Если сила тока была меньше некоторого критического значения, то на диэлектрике не создавалось падения напряжения, если же сила тока превышала критическое значение, то на диэлектрике возникало падение напряжения и контакт сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник излучал электромагнитные волны.

Критическое значение силы тока чувствительно к внешним магнитным полям, поэтому устройство, подобное изображенному на рис. 20.1, можно использовать для точного измерения напряженности слабого магнитного поля до значений порядка 10^-7 А/м. Недавно эффект Джо-зефсона стали применять для измерения индукции магнитного поля биотоков сердца (см. 16.8).

Любое техническое, в том числе и радиотехническое или электронное, устройство стремятся модернизировать и сделать более надежным, потребляющим меньше энергии, малогабаритным и т.п. Однако при этом возникают трудности; так, например, уменьшение габаритов изделия может уменьшать его надежность и т.д.

Остановимся на одной стороне вопроса - тенденции к сокращению размеров, или миниатюризации, электронных устройств и элементов схем. Еще в то время, когда в электронике использовались только электронные лампы, эти лампы, а также пассивные элементы схемы (резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы) старались сделать малогабаритными.

Позднее стали внедрять печатные схемы, которые имели преимущества перед обычными в размерах и, кроме того, позволяли механизировать процесс монтажа схем. Эти тенденции привели к тому, что в начале 1950-х годов удалось создать электронные устройства, в 1 см³ которых в среднем размещалось 0,5 элемента.

Существенным сдвигом в миниатюризации электронных устройств было внедрение полупроводниковых диодов и триодов, что позволило довести плотность электронных устройств до 2-3 элементов в 1 см³.

Следующим этапом миниатюризации электроники, который развивается и в настоящее время, является создание интегральных схем. Это микроминиатюрное электронное устройство, у которого все элементы (или их части) нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически.

Различают два основных типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковые интегральные схемы изготовляют из особо чистых полупроводников. Путем термической, диффузной и иной обработки изменяют кристаллическую решетку полупроводника так, что отдельные его области становятся различными элементами схемы. Это позволяет из пластины размером около 1 мм² создать схему, эквивалентную радиотехническому блоку, состоящему из 100 деталей и более. В качестве резисторов и конденсаторов в интегральных схемах обычно используют р-я-переходы.

На рис. 20.2 показана одна из полупроводниковых интегральных схем: а - ее поперечное сечение; б - принципиальная электрическая схема. Разной штриховкой изображены различные полупроводниковые или проводящие материалы или материалы с разными примесями (А - конденсатор, б - триод, в - резистор, 1-5 - соответствующие точки схемы).

Пленочные интегральные схемы изготовляют путем осаждения различных материалов в вакууме на соответствующие подложки.

Используют также гибридные интегральные схемы - сочетание полупроводниковых и пленочных схем.

Размеры отдельных элементов интегральных схем порядка 0,5- 10 мкм, поэтому малейшие пылинки, соринки и т.п. могут повлиять на их работу. Это обязывает изготовление интегральных схем проводить в условиях повышенной чистоты окружающей среды.

Интегральные микросхемы, содержащие более 100 элементов, получили название больших интегральных схем (БИС).

Создание интегральных схем, миниатюризация электронных устройств являются одним из основных направлений развития современной электроники.

20.2. МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ МЕДИЦИНСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ И АППАРАТОВ

Электроника - прикладная отрасль знаний. Одно из распространенных 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.

Медицинская электроника основывается на сведениях из физики, математики, техники, медицины, биологии, физиологии и других наук, она включает в себя биологическую и физиологическую электронику.

Применения электроники в медицине многообразны, ибо это постоянно расширяющаяся область.

В настоящее время многие традиционно неэлектрические характеристики - температура, смещение тела, биохимические показатели и др. - стремятся при измерениях преобразовывать в электрический сигнал.

Информацию, представленную электрическим сигналом, удобно передавать на расстояние и надежно регистрировать. 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, фонокардио-графы, 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 воздействие на организм различными физическими факторами

Электронные устройства, обеспечивающие дозирующее воздействие на организм различными физическими факторами (ультразвук, электрический ток, электромагнитные поля и др.) с целью лечения: аппараты микроволновой терапии, аппараты для электрохирургии, кардиостимуляторы и др.

С физической точки зрения эти устройства являются генераторами различных электрических сигналов.

Кибернетические электронные устройства

Кибернетические электронные устройства:

а) электронные вычислительные машины для переработки, хранения и автоматического анализа медико-биологической информации;

б) устройства для управления процессами жизнедеятельности и автоматического регулирования состоянием окружающей человека среды;

в) электронные модели биологических процессов и др.

Применение электронных медицинских приборов и аппаратов повышает эффективность диагностики и лечения и увеличивает производительность труда медицинского персонала.

20.3. ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ 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 тела человека между двумя касаниями (электродами) складывается из сопротивления внутренних тканей и органов и сопротивления кожи (рис. 20.3). Сопротивление Я_вн внутренних частей организма слабо зависит от общего состояния человека, в расчетах принимают R_вн=1 кОм для пути ладонь-ступня. Сопротивление R_K 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. Поэтому (учитывая неопределенность сопротивления кожи человека) ее вообще в расчет не принимают и считают 1= и/Я_вн = U/1000 Ом. Так, например, I = 220/1000 А = 220 мА при U = 220 В. На самом деле кожа имеет сопротивление, и сила тока в реальной ситуации при напряжении 220 В меньше 220 мА. Понятно, что при работе с электронной медицинской аппаратурой должны быть предусмотрены все возможные меры по обеспечению безопасности.

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 долж-

ны 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 (старение, влажность окружающего воздуха) 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. Рассмотрим эти вопросы несколько подробнее.

Сила тока утечки на корпус, как и всякий ток проводимости, по закону Ома зависит от напряжения и сопротивления цепи. Цепь тока утечки схематически показана на рис. 20.4. Здесь 1 - корпус аппарата, внутри него трансформатор, первичная обмотка 2 которого подсоединена к источнику напряжения сети 3. Вторичная обмотка 4 трансформатора соединяется с рабочей частью аппаратуры (на рисунке не показана). Сеть независимо от наличия или отсутствия заземления всегда имеет некоторую проводимость относи -тельно земли, которая определяется активным (омическим) сопротивлением R_з изоляции и заземления и емкостью С_з проводников сети и земли. Электропроводимость между сетью и корпусом зависит соответственно от омического сопротивления рабочей изоляции и емкости между внутренними частями аппаратуры, находящимися под напряжением, и корпусом, т.е. от R_уτ и С_ут. Все эти элементы изображены на рис. 20.4 пунктиром, так как они яв-

ляются рассредоточенными параметрами и не представляют резисторов и конденсаторов. Штрихпунктирной линией на рисунке показан путь тока утечки, проходящего через тело человека, касающегося корпуса аппарата или прибора.

Если цепь (контур) пациента изолирована от корпуса, то различают еще отдельно Р и ток утечки на пациента.

Так как сила тока утечки существенно влияет на безопасность эксплуатации медицинской аппаратуры, то при конструировании и изготовлении этих изделий учитывают допустимую силу этого тока как при нормальной работе приборов и аппаратов, так и в случае единичного нарушения. Под единичным нарушением понимают отказ одного из средств защиты от поражения электрическим током. По условиям электробезопасности единичное нарушение не должно создавать непосредственной опасности для человека. Допустимые силы токов утечки различают по типам электромедицинских изделий в зависимости от степени защиты этих изделий от поражения током. Таких типов имеется четыре:

Н - изделия с нормальной степенью защиты; эта защита эквивалентна защите бытовых приборов;

В - изделия с повышенной степенью защиты;

BF - изделия с повышенной степенью защиты и изолированной рабочей частью;

CF - изделия с наивысшей степенью защиты и изолированной рабочей частью. К этому типу обязательно относят, в частности, изделия с рабочей частью, имеющей электрический контакт с сердцем. На изделиях типа CF должен быть проставлен специальный знак (рис. 20.5, а).

В табл. 20.1 указана допустимая сила тока утечки (мА) для изделий типов Н, В, BF и CF.

Таблица 20.1

При пробое на корпус доступные (внешние) для касания части аппаратуры оказываются под напряжением. И в этом случае при нарушенных условиях работы изделий следует предусмотреть возможные способы защиты от поражения электрическим током. К таким основным защитным мерам относятся заземление и зануление. Для понимания физической стороны этих мер нужно знать, как электромедицинская аппаратура подключается к трехфазной системе.

При техническом решении вопроса о наиболее экономной передаче переменного тока по проводам русским инженером М.О. Доливо-Доб-ровольским в конце прошлого века была предложена трехфазная система тока (трехфазный ток). Один из вариантов этой системы представлен на рис. 20.6: 1 - фазные обмотки одного генератора, в которых индуцируется переменное напряжение; 2 - нагрузки (потребители); 3 - линейные провода (они соединяют генератор с потребителем). Для того чтобы потребитель в одном контуре трехфазной цепи не влиял на режим работы другого контура, целесообразно включить нейтральный (нулевой) провод 4. Напряжения и_л между линейными проводами называются линейными, а между линейными и нейтральным проводом - фазовыми (иф). Соотношение между фазовым и линейным напряжением следующее:

Обычно электромедицинская аппаратура присоединяется как однофазная нагрузка к линейному или фазовому напряжению. На рис. 20.7 показано питание аппарата или прибора линейным напряжением, нейтраль изолирована. Для упрощения предположим, что линейные провода имеют совершенную изоляцию, а нейтральный провод имеет относительно земли сопротивление Rj, (показано пунктиром). Если бы не было защитного заземления то при пробое и касании человеком корпуса на человеке оказалось бы напряжение. Штрихпунктиром показана цепь,

в которую оказался бы включенным человек. Из рисунка видно, что напряжение Цф перераспределяется между сопротивлениями к_ч тела человека, включая и его заземление, и к_и. Если, например, к_ч = 0,5R_№ а Цф = 220 В, то на человеке может оказаться 220/3 В и 75 В. Для защиты человека в этом случае необходимо заземлить корпус. Сопротивление R заземления подсоединено параллельно r_q. Так как R мало (должно быть не более 4 Ом), то Rj, >> R_з и фактически на этом сопротивлении и, следовательно, на человеке будет весьма незначительное напряжение.

Существенно отметить, что благодаря значительному сопротивлению R_и пробой на корпус не вызовет аварийного тока, достаточного для срабатывания предохранителя, поэтому это нарушение может остаться незамеченным для персонала. Однако если рядом окажется аппарат (прибор) с пробоем на корпус от другого линейного провода (другой фазы), то между корпусами двух приборов появится линейное напряжение. Одновременное прикосновение к таким корпусам весьма опасно.

В настоящее время в большинстве случаев распространены трехфазные сети с заземленной нейтралью. В этом случае защитное заземление малоэффективно. В самом деле, при хорошем заземлении (рис. 20.7) r_li мало, например Rj, и Напряжение Цф распределится между сопротивлениями поровну, и между корпусом и землей окажется напряжение, равное 0,5 Цф. Это опасно для человека. Скорее всего при пробое сработает предохранитель, однако это может произойти не сразу или даже вовсе не произойти при недостаточной силе аварийного тока. Для того чтобы предохранитель сработал, используют другой вид защиты - защитное зануление, при котором корпус аппаратуры соединяют проводниками с нулевым проводом сети (рис. 20.8). В случае пробоя на корпус

возникает короткое замыкание (показано штрихпунктиром), срабатывает предохранитель и аппаратура отключается от источника напряжения. Так как всегда имеется вероятность обрыва нулевого провода, то нейтраль заземляют в нескольких местах.

Резюмируя сказанное, еще раз отметим, что защитные заземления или зануления должны 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:

• I - изделия, у которых кроме основной изоляции предусмотрено совместное подключение питающего напряжения и заземления (за-нуления) 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.

• 0I - 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 0I имеет временный характер, в дальнейшем эти изделия должны быть заменены соответствующими класса I.

• II - 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, а показан ввод сетевого шнура (или кабеля) для изделий этого класса.

• III - 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.

Выше были рассмотрены лишь основные вопросы электробезопасности при работе с электромедицинской аппаратурой. Так как трудно дать электротехническое описание различных ситуаций, способных повлечь несчастный случай, ограничимся в заключение лишь некоторыми общими указаниями:

• не касайтесь приборов одновременно двумя обнаженными руками, частями тела;

• не работайте на влажном, сыром полу, на земле;

• не касайтесь труб (газ, вода, отопление), 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.

20.4. НАДЕЖНОСТЬ МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ

Медицинская аппаратура должна нормально функционировать. Это требование, однако, не всегда выполняется, говоря точнее, такое 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 отвечающее 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 (восстанавливать). 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 испыты-вавшихся изделий:

Эта характеристика оценивает возможность сохранения изделием работоспособности в заданном интервале времени. Другим количественным показателем надежности является интенсивность отказов λ(ί). Этот показатель равен отношению числа отказов dN к произведению времени dt на общее число N работающих элементов:

Знак «-» поставлен в связи с тем, что dN < 0, так как число работающих изделий убывает со временем.

Функция λ(0 может иметь различный вид. Наиболее характерная ее форма изображена графически на рис. 20.9. Здесь заметны три области: I - период приработки, когда «выжигаются» дефектные элементы изделия, проявляются скрытые пороки, возникшие в процессе изготовления деталей. Интенсивность отказов при этом может быть достаточно велика; II- период нормальной эксплуатации, интенсивность отказов значительное время может сохранять постоянное значение. На этот период следует планировать нормальную эксплуатацию аппаратуры; III - период старения, интенсивность отказов возрастает со временем благодаря влиянию старения материалов и износа элементов.

¹ Читателю должно быть интересно и полезно сопоставить уравнение (20.4) с другим статистическим уравнением - основным законом радиоактивного распада (32.9).

наблюдения за жизненно важными функциями больного, аппараты искусственного дыхания и кровообращения и др.;

• Б - изделия, отказ которых вызывает искажение информации о 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 обслуживаниями, 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. Электромедицинская 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. Именно таков кибернетический подход (см. первый раздел).