Лекція №9. Електронне медичне обладнання

Електронне медичне обладнання інтенсивно використовується в усіх галузях медицини. Прогрес у діагностиці та лікуванні залежить від ступеня використання різноманітного спеціального обладнання. Медична електроніка є галуззю електричної технології, яка займається розробленням і експлуатацією медичного електронного обладнання.
 
Усю множину медичних електронних приладів можна в загальних рисах класифікувати на кілька груп:
a) діагностичні прилади, призначені для отримання інформації щодо стану організму пацієнта;
б) прилади, призначені для всіх видів лікування, включно з фізіотерапевтичними приладами;
c) комп'ютери, призначені для обробки та збереження медичної інформації.

Кожен медичний прилад має бути безпечним за низкою критеріїв, які висувають норми безпеки. Безпека кожного приладу гарантована його правильною конструкцією. Існує кілька класів медичних пристроїв за безпекою, що гарантує захист пацієнтів і медичного персоналу від електричної травми.
 
Клас 0 - безпека пристроїв гарантується лише електричною ізоляцією. Це пристрої повсякденного використання, які не призначені спеціально для лікувальних цілей.
 
Клас І - безпека гарантується не лише електричною ізоляцією, а й заземленням приладу. Роз'єм приладу має бути оснащений заземленням.
 
Клас 0I - заземлення досягається провідником, який має бути виведений на спеціальну клему.
 
Клас II - прилад має не лише основну, а й додаткову розширену електричну ізоляцію. Прилад цього класу не має заземлення.
 
Клас III - окрім електричної ізоляції, безпека від електричної травми гарантується автономним низьковольтним блоком живлення (менш ніж 24 вольти).

Найчастіше медичне електронне обладнання містить різноманітні напівпровідникові компоненти: напівпровідникові діоди, транзистори тощо. Напівпровідники - речовини, які за електропровідністю посідають проміжне місце між провідниками та ізоляторами.
 
У металах валентна зона та зона електропровідності можуть перекриватися. Електрони валентної зони стають електронами електропровідності. У металів таких електронів багато, тому вони є добрими провідниками електричного струму.


В ізоляторах енергетичні рівні валентної зони повністю заповнені електронами. Смуга електропровідності порожня. Дві смуги розділені широкою забороненою енергетичною смугою. За кімнатної температури електрони не можуть набути достатньої енергії для переходу із зони валентності в зону електропровідності.
 
У напівпровідниках (кремній, германій тощо) усі енергетичні рівні в зоні валентності також зайняті електронами. Але заборонена зона між зонами валентності та електропровідності досить вузька. За нормальної температури енергія деяких електронів валентності достатня для того, щоб перетнути заборонену зону й досягти зони електропровідності, де вони можуть стати електронами електропровідності. Таким чином, електрони можуть переміщуватися як носії від'ємного заряду.
 
Коли електрон залишає атом, стаючи вільним, утворюється вакантне місце, або дірка. Електрон сусіднього атома може заповнювати цю дірку (рекомбінація). Таким чином, дірки ″переміщуються″як носії позитивного заряду.

Чистий напівпровідник має однакове число носіїв заряду обох знаків: число електронів дорівнює числу дірок. Додаючи в напівпровідник невелику кількість домішок, можна створити переважання певних носіїв заряду.
 
Атом германію, наприклад, має чотири валентні електрони. Вони формують ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами кристалічної ґратки. Атоми миш'яку мають п'ять валентних електронів. Якщо їх додати до кристала германію, кожен із цих електронів формує зв'язки з чотирма електронами сусідніх атомів германію. П'ятий електрон залишається вільним і може переміщуватися кристалом. Це призводить до утворення деякого числа вільних електронів. Такий змішаний напівпровідник називається n-напівпровідником, де "n" означає від'ємний заряд електрона. Дірок у такому напівпровіднику менше, ніж електронів.
 
Протилежне виходить, якщо до кристала германію додати тривалентні атоми, наприклад, індій. Кожен з атомів індію в ґратці германію оточений чотирма електронами, з трьома з яких формує ковалентні зв'язки, а на місці четвертого зв'язку через відсутність в індію ще одного валентного електрона формується дірка. Таким чином, відбувається величезне збільшення числа дірок. Так формується p-напівпровідник, у 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 p-n- перехід. Це з'єднання дуже тонке - порядку 1 мікрометра. Висока концентрація електронів з одного боку p-n- переходу та дірок з другого боку змушує їх переміщуватися крізь p-n- перехід у протилежних напрямках.
 
Електрони, які перемістилися на бік p-напівпровідника, рекомбінують там з дірками. Ці дірки, отже, зникають, і на боці p-напівпровідника з'являється надлишковий від'ємний заряд. Аналогічно в n- напівпровіднику створюється надлишковий позитивний заряд. Результатом цього є формування різниці потенціалів на межі напівпровідників обох типів, яка припиняє струм електричних зарядів через p-n- перехід. Вузька область у p-n- переході, що обмежує струм вільних носіїв заряду, називається запірним шаром. Він поводиться як ізолятор.
 
p-n- перехід має односторонню електричну провідність. Електричний струм може пройти крізь нього лише в одному напрямку - із p-напівпровідника в n- напівпровідник. Якщо збільшити прикладену різницю потенціалів, струм проходить через p-n- перехід̣. Таке підключення є пропускним.
 
Коли напрямок електричного струму змінюється на протилежний, через p-n-перехід тече мале число носіїв заряду. Це запірне підключення діода в коло. Одностороння електропровідність p-n-переходу використовується для випрямлення змінного електричного струму напівпровідниковими діодами.
 
Напівпровідниковий діод складається з кристала, частина якого n-типу, а частина p-типу. Він дозволяє струму проходити лише в одному напрямку та ефективно блокувати струм в іншому напрямку. Використовується для перетворення змінного електричного струму на постійний струм.

Транзистор використовується як підсилювач електричного струму. Біполярний транзистор зроблений із трьох шарів p- і n- напівпровідників. Вони називаються відповідно емітер (E), база (B) і колектор (C). Базу навмисно роблять дуже тонкою. Функцією емітера є уприскування великого числа носіїв заряду в базу. Колектор витягує їх із бази.
 
Є два типи транзисторів: p-n-p і n-p-n. У p-n-p- транзисторах емітер p-типу, база - n- типу і колектор p- типу. У n-p-n- транзисторах емітер - n- типу, база - p- типу і колектор є n-типу. Таким чином, транзистор можна розглядати як два p-n- переходи.
 
Транзистори широко використовуються для підсилення сили, напруги та потужності електричного струму. Транзистор може бути розміщений у кількох режимах у колах підсилювача.
 
Емітер-база p-n-перехід підключений у пропускному напрямку та має малий електричний опір. Навпаки, база-колектор p-n- перехід підключений у запірному напрямку. Його характеризує високий опір, і лише невеликий струм може протікати крізь таке з'єднання.
 
Коли струм тече через вхідне коло, більшість носіїв заряду (дірки) легко проникають у базу. Ширина бази досить мала, і найбільше число дірок, що надійшли з емітера, протікаючи через базу, досягає колектора. Результатом цього є те, що невеликі зміни вхідного струму в базу спричиняють набагато більші зміни сили струму у вихідному колі. У цьому випадку транзистор може правити за підсилювач сили струму. Змінюючи деякі компоненти кола, можна збільшити напругу й потужність.
 
Нині широко використовують кола, які містять багато транзисторів та інших компонентів.

Електроди являють собою спеціальні провідники, призначені для запису біопотенціалів серця, м'язів, мозку тощо. Існують електроди різної форми та розміру. Електроди, які застосовують у клініці, повинні мати низький електричний опір і передавати електричні сигнали без спотворень.
 
Датчики являють собою спеціальні пристрої, призначені для перетворення вхідних неелектричних величин (переміщення, тиску, температури, світла тощо) на електричні сигнали. Застосування датчиків необхідне для передавання, обробки та збереження інформації.
 
Існує два основні типи датчиків: активні (генераторні) і пасивні (параметричні). Активні датчики здатні генерувати електрорушійну силу під впливом різних видів неелектричної енергії.
 
Наприклад, п'єзоелектричний датчик, зроблений із кварцу чи деяких інших кристалів, може перетворювати механічний тиск на різницю електричних потенціалів. Його можна використовувати для запису артеріального пульсу, кров'яного тиску тощо. Термоелектричний датчик генерує електрорушійну силу під впливом зміни температури.
 
Пасивним датчикам потрібен блок живлення. Вони являють собою електричне коло, деякі параметри якого змінюються під впливом неелектричних сигналів. Існують резистивні, ємнісні, індуктивні датчики.
 
Усі датчики характеризуються їхньою чутливістю, роздільною здатністю, динамічним діапазоном.

Електронні підсилювачі широко застосовуються в медицині. Вони використовуються для запису невеликих за величиною електричних потенціалів серця, м'язів і мозку людини. Вони вживаються також для збільшення електричних сигналів від датчиків, керованих різними функціями організму. Електронні підсилювачі використовуються в таких багатоканальних комплексах, як електрографи і поліграфи, у діагностичних і науково-дослідних цілях.
 
Основною характеристикою електронного підсилювача є коефіцієнт підсилення. Існує коефіцієнт підсилення сили струму та напруги. Ці коефіцієнти визначаються як відношення зміни сили струму I (або напруги U) на виході до зміни сили струму (або напруги) на вході: K_I = ΔI₀/ΔI_i, K_U = ΔU₀/ΔU_i
 
Коефіцієнт підсилення підсилювача є безрозмірною величиною, але його часто виражають у децибелах (логарифмічних одиницях).
 
Коефіцієнт підсилення одного транзистора, як правило, невеликий. Тому використовують так звані багатокаскадні підсилювачі. Вони являють собою кілька послідовно з'єднаних поодиноких підсилювачів — каскадів. У медичних приладах найчастіше застосовують три- та чотирикаскадні підсилювачі (в електрокардіографах - кардіологія, електроміографах - нейрофізіологія, електроенцефалографах - нейрофізіологія). Коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення окремих каскадів. Він може сягати кількох мільйонів.
 
Режим роботи підсилювача суттєво залежить від типу міжкаскадного зв'язку. Найчастіше використовують підсилювачі постійного та змінного струму. Підсилювачі постійного струму здатні збільшувати силу струму й напругу як постійного, так і змінного струму. Підсилювачі змінного струму призначені для збільшення сили та напруги змінного струму.
 
Підсилювачі постійного струму використовують для збільшення постійної напруги або електричних коливань низької частоти. Частіше застосовують підсилювачі змінного струму відповідно до параметрів електричного коливання, що підсилюється, що передбачено характеристиками відповідних підсилювачів. Існують дві головні характеристики електронних підсилювачів: частотна характеристика (підсилення-частота) і амплітудна характеристика (вхідний сигнал-вихідний сигнал).
 
Коефіцієнт підсилення підсилювача залежить від частоти вхідних електричних коливань. Частотну характеристику підсилювача можна подати графіком залежності коефіцієнта підсилення від частоти вхідних сигналів.
 
Підсилювач змінного струму має частотну смугу пропускання. Сигнали, що записуються, частота яких перебуває в межах цієї смуги, збільшуються без спотворення. Криві, характерні як для підсилювачів постійного, так і для підсилювачів змінного струму, мають обмеження в підсиленні сигналів високої частоти через обмеження динамічного діапазону компонентів кола підсилювача. У результаті найвищочастотні сигнали можуть спотворюватися.
 
Амплітудну характеристику підсилювача можна подати графіком залежності амплітуди вихідного сигналу від амплітуди вхідного сигналу. На графіку є лінійна частина кривої, яка переходить у нелінійне насичення, що є результатом обмеження величини блока живлення. Для того, щоб уникнути спотворень, необхідно, щоб амплітуда вхідних сигналів відповідала лінійній частині амплітудної характеристики підсилювача.

Електричні імпульси різної форми та частоти широко використовуються в медичній практиці. Вони застосовуються в електронних стимуляторах, різноманітних фізіотерапевтичних приладах тощо. Найчастіше використовуються синусоїдальні та прямокутні імпульси.
 
Генератор синусоїдальних хвиль включає коливальне коло, основною частиною якого є паралельно з'єднані котушка індуктивності та конденсатор. Вони налаштовані так, щоб генератор виробляв синусоїдальні електричні коливання частотою, що залежить від величин індуктивності L та ємності C: ω = 1/√(LC)
 
Електричні синусоїдальні коливання, які підтримуються позитивним зворотним зв'язком через котушку, індуктивно зв'язану з коливальним контуром, надходять у транзистор, де підсилюються за напругою.
 
Для отримання прямокутних електричних імпульсів застосовують мультивібратори, пилоподібних – генератори релаксаційних коливань.

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 - передсердному вузлі в стінці правого передсердя. Збудження проводиться через передсердя в атріовентрикулярний вузол, який розташований у перегородці між передсердями та шлуночками. Потім імпульси проходять через пучок Гіса й спричиняють скорочення обох шлуночків.
 
Електропровідність імпульсів може порушуватися більшою чи меншою мірою за певних захворювань серця. Щоб нормалізувати серцебиття, використовують штучні електронні серцеві водії ритму (стимулятори). Електрод, приєднаний до тонкого дроту, уводять у серце через вену плеча за допомогою катетера. Пристрій, що генерує прямокутні електричні імпульси відповідної амплітуди та тривалості, залишається за межами тіла й підтримує серцебиття.
 
За постійного режиму мініатюрний стимулятор установлюється хірургічно під musculus pectoralis major. Електрод уводять у серце через вену або хірургічно імплантують на поверхню серця. Імплантовані стимулятори як джерело енергії використовують електричні батареї, які потребують 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 встановлення стимулятори не змінювали своїх характеристик. Сучасніші пристрої – асинхронні водії ритму. Вони збуджують серцеві скорочення лише в разі порушення нормального ритму серця. Водії ритму цього типу починають генерувати імпульси, коли показники природних серцевих скорочень падають нижче від нормальної величини. Такі водії ритму мають електрод і спеціальний пристрій, який призначається для виявлення передсердних біопотенціалів.
 
Існує багато типів стимуляторів, призначених для лікування нервових і м'язових хвороб. Вони обладнані зовнішніми електродами та генерують прямокутні або модульовані синусоїдальні імпульси. Ці стимулятори використовують для лікування різних типів паралічів м'язів і болісних 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 й асинхронного збудження та скорочення кардіоміоцитів. У стані фібриляції серце не може виконати систолу, і циркуляція крові припиняється.
 
Основною частиною струмового дефібрилятора є конденсатор, який заряджають до високої напруги. Він розряджається через електроди, що контактують з тілом пацієнта. Тривалість імпульсу становить майже 5-10 мілісекунд, і електричний струм досягає кількох ампер. Застосування цього методу допомагає, відновлюючи нормальне серцебиття, зберегти людині життя.

Змінний струм різних параметрів широко застосовується в електрофізіотерапії. Усі медичні прилади, що використовують цей фізичний чинник, можна поділити на дві групи: низькочастотну та високочастотну апаратуру.
 
Низькочастотна фізіотерапія здійснюється за допомогою таких апаратів, як діадинамік і ампліпульс. Діадинамік виробляє модульовані напівхвилі або цілі хвилі синусоїдального струму частотою 50 або 100 Гц. Електричні імпульси подають серіями, протягом яких амплітуда імпульсів підвищується та знижується відповідно до глибини модуляції. Ампліпульс генерує електричні коливання частотою п'ять кілогерц. Вони являють собою напівхвилі або повні хвилі синусоїдальних коливань, модульовані такими самими коливаннями низької частоти.
 
Як діадинамік, так і ампліпульс впливають на мембрани клітин. Вони активізують метаболізм і мають знеболювальний ефект. Їх можна застосовувати для введення ліків за допомогою електрофорезу. Але найчастіше використовуються для лікування нервово-м'язових хвороб і больових синдромів. Діадинамік та ампліпульс збуджують нервові й м'язові клітини або нервові закінчення шкіри, зменшуючи біль. Величина сили струму має бути обмежена (пацієнт повинен лише трохи відчувати дію струму).
 
Медичне застосування високочастотних приладів істотно відрізняється. Частота електричних імпульсів, що генеруються всіма такими приладами, перевищує мегагерц, а тривалість одиничного імпульсу становить менше однієї мікросекунди. Такі імпульси є надто короткими для ініціювання збудження 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, украй високочастотна терапія та мікрохвильова терапія.
 
Діатермія. Діатермія є методом фізіотерапії, в якому глибоке прогрівання тканин досягається використанням високочастотного електричного струму (1-1,5 МГц). Інтенсивність струму може сягати одного ампера. Для обмеження густини струму необхідно використовувати великі електроди. Цей метод нині рідко застосовують через небезпеку опіків.
 
Навпаки, методи електрохірургії (діатермотомія та діатермокоагуляція) широко використовуються в медичній практиці. Відмінність між цим методом і діатермією полягає у формі застосовуваних електродів. Один з електродів має досить велику площу й править за простий провідник струму. Інший - має форму скальпеля або петлі. Густина струму на його поверхні може бути досить великою, що дає змогу розрізати та коагулювати тканини, які водночас перестають кровоточити.
 
Індуктотермія. 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. Локальне нагрівання виробляється вихровими струмами (струмами Фуко), які утворюються в тканинах під дією високочастотного магнітного поля.
 
Украй високочастотна терапія. Цей метод також безконтактний. Частину тіла пацієнта встановлюють між двома плоскими електродами, підключеними до генератора украй високих частот (40,68 МГц). Дотримання спеціальних заходів обережності дає змогу ізолювати пацієнта від блока живлення. Нагрівання тканин виробляється здебільшого струмами зміщення (електричним полем). За такої частоти тканина, що є діелектриком, нагрівається сильніше, ніж провідники. При цьому відбувається поляризація біологічних молекул. Вони коливаються на украй високій частоті, і енергія тепла розсіюється в навколишніх тканинах.
 
Мікрохвильова терапія. Електромагнітні мікрохвилі (2375 МГц) спрямовують на тіло пацієнта. Вони поглинаються тканинами та спричиняють швидкі зміни орієнтації дипольних молекул. Найістотніше значення в цьому процесі мають молекули води. Отже, м'язи та інші тканини, багаті на воду, нагріваються більше, ніж кісткова чи жирова тканини.