Електронне медичне обладнання






    Головна сторінка





Скачати 20.89 Kb.
Дата конвертації24.07.2017
Розмір20.89 Kb.
Типреферат

Класифікація медичного електронного обладнання

Електронне медичне обладнання інтенсивно використовується у всіх областях медицини. Прогрес у діагностиці та лікуванні залежить від ступеня використання різного роду спеціального обладнання. Медична електроніка є областю електричної технології, яка займається розробкою і експлуатацією медичного електронного обладнання.

Всі безліч медичних електронних приладів можна класифікувати в загальних рисах в кілька груп:

a) діагностичні прилади, призначені для отримання інформації щодо стану організму пацієнта;

б) прилади, призначені для всіх видів лікування, включаючи фізіотерапевтичні прилади;

c) комп'ютери, призначені для обробки і збереження медичної інформації.

Основи безпечного проектування

Кожен медичний прилад повинен бути безпечним по ряду критеріїв, які висуваються нормами безпеки. Безпека кожного приладу гарантована його правильною конструкцією. Існує кілька класів медичних пристроїв з безпеки, яка гарантує захист пацієнтів і медичного персоналу від електричної травми.

Клас 0 - безпека пристроїв гарантується тільки електричною ізоляцією. Це пристрої повсякденного використання, які не призначені спеціально для лікувальних цілей.

Клас І - безпека гарантується не тільки електричною ізоляцією, але також заземленням приладу. Роз'єм приладу повинен бути оснащений заземленням.

Клас 0I - заземлення досягається провідником, який повинен бути відведений на спеціальний термінал.

Клас II - прилад має не тільки основну, але також додаткову розширену електричну ізоляцію. Прилад цього класу не має заземлення.

Клас III - крім електричної ізоляції, безпеку від електричної травми гарантується автономним джерелом живлення низької напруги (менш ніж 24 вольт).

Фізичні основи медичного проектування. Напівпровідники. Зонна теорія.

Найбільш часто медичне електронне устаткування включає різні напівпровідникові компоненти: напівпровідникові діоди, транзистори і т.п. Напівпровідники - речовини, що займають по електропровідності проміжне положення між провідниками і ізоляторами.

В металах валентна зона і зона електропровідності можуть перекриватися. Електрони валентної зони стають електронами електропровідності. У металів таких електронів багато, тому вони є хорошими провідниками електричного струму.

В ізоляторах енергетичні рівні валентної зони повністю заповнені електронами. Смуга електропровідності порожня. Дві смуги розділені широкою забороненою енергетичної смугою. При кімнатній температурі електрони не можуть придбати достатню енергію для переміщення із зони валентності в зону електропровідності.

У напівпровідниках (кремній, германій і т.п.) вся енергетичні рівні в зоні валентності також зайняті електронами. Але заборонена зона між зонами валентності і електропровідності досить вузька. При нормальній температурі енергія деяких електронів валентності достатня для того, щоб перетнути заборонену зону і досягти зони електропровідності, де вони можуть стати електронами електропровідності. Таким чином, електрони можуть переміщатися як носії негативного заряду.

Коли електрон залишає атом, стаючи вільним, утворюється вакантне місце, або дірка. Електрон сусіднього атома може заповнювати цю дірку (рекомбінація). Таким чином, дірки "переміщаються" як носії позитивного заряду.

P- і n- напівпровідники. Pn- перехід

Чистий напівпровідник має рівне число носіїв заряду обох знаків: число електронів дорівнює числу дірок. Додаючи в напівпровідник невелика кількість домішок, можна створити переважання певних носіїв заряду.

Атом германію, наприклад, має чотири валентних електрони. Вони формують ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами кристалічної решітки. Атоми миш'яку мають п'ять валентних електронів. Якщо їх додати до кристалу германію, кожен з цих електронів формує зв'язку з чотирма електронами сусідніх атомів германію. П'ятий електрон залишається вільним, і може переміщатися через кристал. Це призводить до утворення певної кількості вільних електронів. Такий змішаний напівпровідник називається n-полупроводником, де "n" означає негативний заряд електрона. Дірок в такому напівпровідник менше, ніж електронів.

Зворотне виходить, якщо до кристалу германію додати тривалентні атоми, наприклад, індій. Кожен з атомів індію в решітці германію оточений чотирма електронами, з трьома з яких формує ковалентні зв'язки, а на місці четвертої зв'язку через відсутність у індію ще одного валентного електрона формується дірка. Таким чином, відбувається величезне збільшення числа дірок. Так формується р-напівпровідник, в якому основними носіями заряду є дірки, або позитивні заряди.

За допомогою спеціального технологічного процесу p- і n- напівпровідники з'єднують між собою, при цьому утворюється pn- перехід. Це з'єднання дуже тонке - близько 1 мікрометра. Висока концентрація електронів на одній стороні pn- переходу і дірок на іншій стороні змушує їх переміщатися через pn- перехід в протилежних напрямках.

Електрони, які перемістилися на сторону p-напівпровідника, рекомбинируют там з дірками. Ці дірки, отже, зникають, і на стороні p-напівпровідника з'являється надлишковий негативний заряд. Аналогічно в n- полупроводнике створюється надлишковий позитивний заряд. Результатом цього є формування різниці потенціалів на кордоні напівпровідників обох типів, яка припиняє струм електричних зарядів через pn- перехід. Вузька область в pn- переході, що обмежує струм вільних носіїв заряду, називається замикаючим шаром. Він веде себе як ізолятор.

pn- перехід має односторонню електричну провідність. Електричний струм може пройти через нього тільки в одному напрямку - з p-напівпровідника в n- напівпровідник. Якщо збільшити прикладається різниця потенціалів, струм проходить через pn- перехід ?. Таке підключення є пропускним.

Коли напрямок електричного струму змінюється на протилежне, через pn-перехід тече мале число носіїв заряду. Це замикає підключення діода в ланцюг. Одностороння електропровідність pn-переходу використовується для випрямлення змінного електричного струму напівпровідниковими діодами.

Напівпровідниковий діод складається з кристала, частина якого n-типу і частина p-типу. Він дозволяє току проходити тільки в одному напрямку і ефективно блокувати струм в іншому напрямку. Використовується для перетворення змінного електричного струму в постійний струм.

транзистор

Транзистор використовується як підсилювач електричного струму. Біполярний транзистор зроблений з трьох шарів p- і n- напівпровідників. Вони називаються відповідно емітер (E), база (B) і колектор (C). База навмисне роблять дуже тонкою. Функцією емітера є впорскування великого числа носіїв заряду в базу. Колектор витягує їх з бази.

Є два типи транзисторів: pnp і npn. У pnp- транзисторах, емітер p-типу, база - n- типу і колектор p- типу. У npn- транзисторах емітер - n- типу, база - p- типу і колектор є n-типу. Таким чином, транзистор можна розглядати як два pn- переходу.

Транзистори широко використовуються для посилення сили, напруги і потужності електричного струму. Транзистор може бути розміщений в декількох режимах в ланцюгах підсилювача.

Емітер-база pn-перехід підключений в пропускному напрямку і має маленьке електричне опір. Навпаки, база-колектор pn- перехід підключений в замикаючому напрямку. Його характеризує високий опір, і тільки невеликий струм може протікати через таке з'єднання.

Коли струм тече через вхідний ланцюг, більшість носіїв заряду (дірки) легко проникають в базу. Ширина бази досить мала, і найбільше число дірок, які надійшли з емітера, протікаючи через базу, досягає колектора. Результатом цього є те, що невеликі зміни вхідного струму в базу викликають набагато більші зміни сили струму в вихідний ланцюга. У цьому випадку транзистор може служити в якості підсилювача потужності струму. Змінюючи деякі компоненти ланцюга, можна збільшити напругу і потужність.

В даний час широко використовують ланцюги, які включають багато транзисторів і інших компонентів.

Медичне обладнання, призначене для отримання інформації стані організму. Електроди і датчики

Електроди представляють собою спеціальні провідники, призначені для запису біопотенціалів серця, м'язів, мозку і т.п. Існують електроди різної форми і розміру. Електроди, застосовувані в клініці, повинні мати низький електричний опір і передавати електричні сигнали без спотворень.

Датчики представляють собою спеціальні пристрої, призначені для перетворення вхідних неелектричних величин (переміщення, тиску, температури, світла і т.п.) в електричні сигнали. Застосування датчиків необхідно для передачі, обробки і збереження інформації.

Існує два основних типи датчиків: активні (генераторні) і пасивні (параметричні). Активні датчики здатні генерувати електрорушійну силу під впливом різних видів неелектричної енергії.

Наприклад, п'єзоелектричний датчик, зроблений з кварцу або деяких інших кристалів, може перетворювати механічний тиск в різниця електричних потенціалів. Його можна використовувати для запису артеріального пульсу, кров'яного тиску і т.п. Термоелектричний датчик генерує електрорушійну силу під впливом зміни температури.

Пасивним датчикам необхідний блок живлення. Вони являють собою електричну ланцюг, деякі параметри якої змінюються під впливом неелектричних сигналів. Існують резистивні, ємнісні, індуктивні датчики.

Всі датчики характеризуються їх чутливістю, здатністю, динамічним діапазоном.

Види підсилювачів і їх характеристики

Електронні підсилювачі широко застосовуються в медицині. Вони використовуються для запису невеликих за величиною електричних потенціалів серця, м'язів і мозку людини. Вони використовуються також для збільшення електричних сигналів від датчиків, керованих різними функціями організму. Електронні підсилювачі використовуються в таких багатоканальних комплексах як електрографом і поліграфи в діагностичних і науково-дослідних цілях.

Основною характеристикою електронного підсилювача є коефіцієнт посилення. Існує коефіцієнт посилення сили струму і напруги. Ці коефіцієнти визначаються як відношення зміни сили струму I (або напруги U) на виході до зміни сили струму (або напруги) на вході: KI = ΔI0 / ΔIi, KU = ΔU0 / ΔUi

Коефіцієнт посилення підсилювача є безрозмірною величиною, але його часто висловлюють в децибелах (логарифмічних одиницях).

Коефіцієнт посилення одного транзистора, як правило, невеликий. Тому використовують так звані багатокаскадні підсилювачі. Вони являють собою кілька послідовно з'єднаних одиночних підсилювачів каскадів. У медичних приладах найбільш часто застосовують трьох і чотирьох каскадні підсилювачі (в електрокардіографах - кардіологія, електроміографії - нейрофізіологія, електроенцефалографії - нейрофізіологія). Коефіцієнт посилення многокаскадного підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів посилення окремих каскадів. Він може досягати декількох мільйонів.

Режим роботи підсилювача істотно залежить від типу межкаскадной зв'язку. Найчастіше використовують підсилювачі постійного і змінного струму. Підсилювачі постійного струму здатні збільшувати силу струму і напругу як постійного, так і змінного струму. Підсилювачі змінного струму призначені для збільшення сили і напруги змінного струму.

Підсилювачі постійного струму використовують для збільшення постійної напруги або електричних коливань низької частоти.Найчастіше застосовують підсилювачі змінного струму відповідно до параметрів підсилюється електричного коливання, що передбачено технічними характеристиками відповідних підсилювачів. Існують дві головні характеристики електронних підсилювачів: частотна характеристика (посилення-частота) і амплітудна характеристика (вхідний сигнал-вихідний сигнал).

Коефіцієнт посилення підсилювача залежить від частоти вхідних електричних коливань. Частотна характеристика підсилювача може бути представлена ​​графіком залежності коефіцієнта посилення від частоти вхідних сигналів.

Підсилювач змінного струму має частотну смугу пропускання. Записуються сигнали, частота яких знаходиться в межах цієї смуги, збільшуються без спотворення. Криві, характерні як для підсилювачів постійного, так і для підсилювачів змінного струму, мають обмеження в посиленні сигналів високої частоти через динамічного діапазону обмеження компонентів ланцюга підсилювача. В результаті найбільш високочастотні сигнали можуть спотворюватися.

Амплітудна характеристика підсилювача може бути представлена ​​графіком залежності амплітуди вихідного сигналу від амплітуди вхідного сигналу. На графіку є лінійна частина кривої, яка переходить в нелінійне насичення, яке є результатом обмеження величини блоку живлення. Для того, щоб уникнути спотворень необхідно, щоб амплітуда вхідних сигналів відповідала лінійної частини амплітудної характеристики підсилювача.

Медичне обладнання, призначене для лікування. Стимулятори і фізіотерапевтичні прилади. Генератори

Електричні імпульси різної форми і частоти широко використовуються в медичній практиці. Вони застосовуються в електронних стимуляторах, різних фізіотерапевтичних приладах і т.п. Найчастіше використовуються синусоїдальні і прямокутні імпульси.

Генератор синусоїдальних хвиль включає коливальний ланцюг, основною частиною якої є паралельно з'єднані котушка індуктивності і конденсатор. Вони налаштовані, щоб генератор виробляв синусоїдальні електричні коливання частотою, що залежить від величин індуктивності L і ємності C: ω = 1 / √ (LC)

Електричні синусоїдальні коливання, підтримувані позитивним зворотним зв'язком через котушку, індуктивно пов'язану з коливальним контуром, надходять в транзистор, де посилюються по напрузі.

Для отримання прямокутних електричних імпульсів застосовують мультивібратори, пилкоподібних - генератори релаксаційних коливань.

електронні стимулятори

Електронні стимулятори застосовують для нормалізації функцій деяких органів. Одним з таких органів є серце людини. Здорове серце має так звану провідну систему, здатну стимулювати скорочення серцевого м'яза. У нормі імпульси генеруються в синусно - предсердном вузлі в стінці правого передсердя. Порушення проводиться через передсердя в атріовентрикулярний вузол, який розташований в перегородці між передсердями і шлуночками. Потім імпульси проходять через пучок Гіса і викликають скорочення обох шлуночків.

Електропровідність імпульсів може порушуватися в більшій чи меншій мірі при певних захворювання серця. Щоб нормалізувати серцебиття використовують штучні електронні серцеві водії ритму (стимулятори). Електрод, приєднаний до тонкого дроту, вводять в серце через вену плеча за допомогою катетера. Пристрій, що генерує прямокутні електричні імпульси відповідної амплітуди і тривалості, залишається за межами тіла і підтримує серцебиття.

При постійному режимі мініатюрний стимулятор встановлюється хірургічно під musculus pectoralis major. Електрод вводять в серце через вену або хірургічно імплантують на поверхню серця. Імплантовані стимулятори як джерело енергії використовують електричні батареї, які вимагають заміни з регулярним інтервалом, зазвичай кожні чотири - п'ять років.

Перше покоління серцевих водіїв ритму були так званого синхронного типу. Вони генерували регулярні електричні імпульси більшої частоти, ніж пошкоджений природний водій ритму серця. Після установки стимулятори не змінювали своїх характеристик. Більш сучасні пристрої - асинхронні водії ритму. Вони збуджують серцеві скорочення тільки в разі порушення нормального ритму серця. Водії ритму цього типу починають генерувати імпульси, коли показники природних серцевих скорочень падають нижче нормальної величини. Такі водії ритму мають електрод і спеціальний пристрій, який призначається для виявлення передсердних биопотенциалов.

Існує багато типів стимуляторів, призначених для лікування нервових і м'язових хвороб. Вони обладнані зовнішніми електродами і генерують прямокутні або модульовані синусоїдальні імпульси. Ці стимулятори використовують для лікування різних типів паралічів м'язів і хворобливих станів.

Апарат дефібрилятор розроблений для усунення фібриляції шлуночків, яка є дуже небезпечним серцевим порушенням. Відомо, що нормальне серцебиття виникає, якщо м'язові клітини серця збуджуються синхронно. Фібриляція є результатом нерегулярного і асинхронного збудження і скорочення кардіоміоцитів. У стані фібриляції, серце не може зробити систолу, і циркуляція крові припиняється.

Основною частиною токового дефібрилятора є конденсатор, який заряджають до високої напруги. Він розвантажується через електроди, що контактують з тілом пацієнта. Тривалість імпульсу становить майже 5-10 мілісекунд, і електричний струм досягає кілька ампер. Застосування цього методу допомагає, відновлюючи нормальні серцебиття, зберегти людині життя.

Електричні фізіотерапевтичні прилади

Змінний струм різних параметрів широко застосовується в електрофізіотерапія. Всі медичні прилади, що використовують цей фізичний фактор, можна поділити на дві групи: низькочастотну і високочастотну апаратуру.

Низькочастотна фізіотерапія здійснюється за допомогою таких апаратів як диадинамик і амплипульс. Діадинамік виробляє модульовані напівхвилі або цілі хвилі синусоїдального струму частотою 50 або 100 Гц. Електричні імпульси подають серіями, протягом яких амплітуда імпульсів підвищується і знижується у відповідність з глибиною модуляції. Ампліпульс генерує електричні коливання частотою п'ять кілогерц. Вони являють собою напівхвилі або повні хвилі синусоїдальних коливань, модульовані такими ж коливаннями низької частоти.

Як диадинамик, так і амплипульс впливають на мембрани клітин. Вони активізують метаболізм і мають болезаспокійливий ефект. Вони можуть застосовуватися для введення ліків за допомогою електрофорезу. Але найчастіше використовуються для лікування нейром'язових захворювань і больових синдромів. Діадинамік і амплипульс збуджують нервові і м'язові клітини або нервові закінчення шкіри, зменшуючи біль. Величина сили струму повинна бути обмежена (пацієнт повинен лише трохи відчувати дію струму).

Медичне застосування високочастотних приладів істотно відрізняється. Частота електричних імпульсів, які генеруються усіма такими приладами, перевищує мегагерц, а тривалість одиночного імпульсу становить менше однієї мікросекунди. Такі імпульси є занадто короткими для ініціювання порушення нервових або м'язових клітин. Передача таких електричних імпульсів через тіло не сприймається пацієнтом, а інтенсивність струму може бути досить високою. Ефектом високочастотної фізіотерапії є нагрівання тканин тіла.

Найчастіше на практиці використовують такі методи високочастотної фізіотерапії - діатермія, індуктотермія, вкрай високочастотна терапія і мікрохвильова терапія.

Діатермія. Діатермія є методом фізіотерапії, в якому глибоке прогрівання тканин досягається використанням високочастотного електричного струму (1-1, 5 МГЦ). Інтенсивність струму може досягати одного ампера. Для обмеження щільності струму необхідно використовувати великі електроди. Цей метод рідко застосовують в даний час через небезпеку опіків.

Навпаки, методи електрохірургії (діатермоктомія і діатермокоагуляція), широко використовуються в медичній практиці. Різниця між цим методом і діатермією складається в формі застосовуваних електродів. Один з електродів має досить велику площу, і служать в якості простого провідника струму. Інший - має форму скальпеля або петлі. Щільність струму на його поверхні може бути досить великою, що дозволяє розрізати і коагулювати тканини, які перестають кровоточити в той же самий час.

Индуктотермия. Цей метод має перевагу перед діатермією, оскільки є безконтактним. Електричний струм (10-15 МГц) проходить від генератора високих частот через спеціальну котушку, встановлену біля певної частини тіла. Локальний нагрів проводиться вихровими струмами (струмами Фуко), які утворюються в тканинах при дії високочастотного магнітного поля.

Вкрай високочастотна терапія. Цей метод також безконтактний. Частина тіла пацієнта встановлюють між двома плоскими електродами, підключеними до генератора вкрай високих частот (40, 68 МГЦ). Дотримання спеціальних запобіжних заходів дозволяє ізолювати пацієнта від блоку живлення. Нагрівання тканин виробляється, здебільшого, струмами зміщення (електричним полем). При такій частоті тканину, що є діелектриком, нагрівається сильніше, ніж провідники. При цьому відбувається поляризація біологічних молекул. Вони коливаються на крайній високій частоті, і енергія тепла розсіюється в оточуючих тканинах.

Мікрохвильова терапія. Електромагнітні мікрохвилі (2375 МГц) направляють на тіло пацієнта. Вони поглинаються тканинами і викликають швидкі зміни орієнтації дипольних молекул. Найбільш істотне значення в цьому процесі мають молекули води. Отже, м'язи та інші тканини, багаті водою, нагріваються більш істотно, ніж кісткова або жирова тканини.



Скачати 20.89 Kb.