Биофиз.РЕМИЗОВ. Механика. Акустика глава 4 Некоторые вопросы биомеханики
 Скачать 9.74 Mb.
|
|
§ 16.3. 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 этиммедицинский 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 Nработающих (не испортившихся) за время tизделий к общему числу Noиспытывавшихся изделий: Эта характеристика оценивает возможность сохранения изделием работоспособности в заданном интервале времени. Другим количественным показателем надежности является интенсивность отказов λ(t). Этот показатель равен отношению числа отказов dNза время dtк произведению времени dtна общее число Nработающих элементов: Знак «—» поставлен в связи с тем, что dN < 0, так как число работающих изделий убывает со временем. Функция λ(t) может иметь различный вид. Наиболее характерная ее форма изображена графически на рис. 16.6. 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 нормаль- ную эксплуатацию аппаратуры; III — период старения, интенсивность отказов возрастает со временем благодаря влиянию старения материалов и износа элементов. Медикам должно быть интересно, что приблизительно аналогичный вид имеет временная зависимость параметра, характеризующего смертность человека. В большей мере «интенсивность смертности» присуща периоду младенцев (период I) и старикам (период III). Между вероятностью безотказной работы Р и интенсивностью отказов Xсуществует определенная связь. Установим ее для случаев X = const (период II). Запишем дифференциальное уравнение (16.2), разделив переменные по разным частям равенства: Интегрируя и подставляя нижние пределы (начальное число Noиспытывавшихся изделий и время t= 0) и верхние пределы (число N безотказно работающих изделий к моменту t), получаем: Сопоставляя (16.4) с (16.1), имеем Т аким образом, при постоянной интенсивности отказов получаем экспоненциальный закон изменения со временем вероятности безотказной работы. Этот закон можно использовать для оценки надежности аппаратуры. В зависимости от возможных последствий отказа в процессе эксплуатации медицинские изделия подразделяются на четыре класса: А — изделия, отказ которых представляет непосредственную опасность для жизни пациента или персонала. Вероятность безотказной работы изделий этого класса должна быть не менее 0,99 в течение наработки между планово-предупредительными техническими обслуживаниями, а для изделий, не подлежащих техническим обслуживаниям (ремонт, поверка), — в течение установленного для них срока службы. К изделиям этого класса относятся приборы для 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. 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. ГЛАВА 17 Система получения медико-биологической информации Любое медико-биологическое исследование связано с получением и регистрацией соответствующей информации. Несмотря на разнообразие устройств и методов, употребляемых для этой цели, можно указать их общие схемы и принципы действия. § 17.1. Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации Для того чтобы получить и зафиксировать информацию о состоянии и параметрах медико-биологической системы, необходимо иметь целую совокупность устройств. П ервичный элемент этой совокупности — чувствительный элемент средства измерений, называемый устройством съема, —непременно контактирует или взаимодействует с самой системой, остальные элементы находятся обычно обособленно от медико-биологической системы, в некоторых случаях части измерительной системы могут быть даже отнесены на значительные расстояния от объекта измерений. Структурная схема измерительной цепи изображена на рис. 17.1. Эта схема является общей и отражает всевозможные реальные системы, применяемые в медицине для диагностики и исследования. В устройствах медицинской электроники чувствительный элемент либо прямо выдает электрический сигнал, либо изменяет таковой сигнал под воздействием биологической системы. Таким образом, устройство съема преобразует информацию медико-биологического и физиологического содержания в сигнал электронного устройства. В медицинской электронике используются два вида устройств съема: электроды и датчики. Завершающим элементом измерительной цепи в медицинской электронике является средство измерений, которое отображает или регистрирует информацию о биологической системе в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Во многих случаях между устройством съема и средством измерений имеются элементы, усиливающие начальный сигнал (см. гл. 18) и передающие его на расстояние. В структурной схеме (см. рис. 17.1) Xозначает некоторый измеряемый параметр биологической системы, например давление крови. Буквой Yобозначена выходная величина, например сила тока (мА) на измерительном приборе или смещение писчика (мм) на бумаге регистрирующего прибора. Для получения количественной информации о биологической системе должна быть известна зависимость Y = f(X). § 17.2. Электроды для съема биоэлектрического сигнала Электроды для съема биоэлектрического сигнала — этопроводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой. При диагностике электроды используются не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнитного воздействия, например в реографии. В медицине электроды используются также для оказания электромагнитного воздействия с целью лечения и при электростимуляции. К электродам предъявляются определенные требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не создавать помех, не раздражать биологическую ткань и т. п. Важная физическая проблема, относящаяся к электродам для съема 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. 17.2 (ξ6п — ЭДС источника биопотенциалов; r — сопротивление внутренних тканей биологической системы; R— сопротивление кожи и электродов, контактирующих с ней; RBX — входное сопротивление усилителя биопотенциалов). Из закона Ома, предполагая, что сила тока на всех участках контура одинакова, имеем Можно условно назвать падение напряжения на входе усилителя IRBX «полезным», так как усилитель увеличивает именно эту часть ЭДС источника. Падения напряжения Irи IRвнутри биологической системы и на системе электрод — кожа в этом смысле «бесполезны». Так как величина ξбп задана, а уменьшить г невозможно, то увеличить IRBXможно лишь уменьшением R, и прежде всего уменьшением сопротивления контакта электрод — кожа. Для уменьшения переходного сопротивления электрод — кожа стараются увеличить проводимость среды между электродом и кожей, используют марлевые салфетки, смоченные физиологическим раствором, или электропроводящие пасты. Можно уменьшить это сопротивление, увеличив площадь контакта электрод — кожа, т. е. увеличив размер электрода, но при этом электрод будет захватывать несколько эквипотенциальных поверхностей (см., например, рис. 12.15) и истинная картина электрического поля будет искажена. По назначению электроды для съема биоэлектрического сигнала подразделяют на следующие группы: 1) для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, например для разового снятия электрокардиограммы; 2) для длительного использования, например при постоянном наблюдении за тяжелобольными в условиях палат интенсивной терапии; 3) для использования на подвижных обследуемых, например в спортивной или космической медицине; 4) для экстренного применения, например в условиях скорой помощи. Ясно, что во всех случаях проявится своя специфика применения электродов: физиологический раствор может высохнуть и сопротивление изменится, если наблюдение биоэлектрических сигналов длительное, при бессознательном состоянии пациента надежнее использовать игольчатые электроды и т. п. При пользовании электродами в электрофизиологических исследованиях возникают две специфические проблемы. Одна из них— возникновение гальванической ЭДС при контакте электродов с биологической тканью. Другая — электролитическая поляризация электродов, что проявляется в выделении на электродах продуктов реакций при прохождении тока. В результате возникает встречная по отношению к основной ЭДС. В обоих случаях возникающие ЭДС искажают снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал. Существуют способы, позволяющие снизить или устранить подобные влияния, однако эти приемы относятся к электрохимии и в этом курсе не рассматриваются. В заключение рассмотрим устройство некоторых электродов. Для снятия электрокардиограмм к конечностям специальными резиновыми лентами прикрепляют электроды — металлические пластинки с клеммами 1 (рис. 17.3), в которые вставляют и закрепляют штыри кабелей отведений. Кабели соединяют электроды с электрокардиографом. На груди пациента устанавливают грудной электрод 2. Он удерживается резиновой присоской. Этот электрод также имеет клемму для штыря кабеля отведений. В микроэлектродной практике используют стеклянные микроэлектроды. Профиль такого электрода изображен на рис. 17.4, кончик его имеет диаметр 0,5 мкм. Корпус электрода является изолятором, внутри находится проводник в виде электролита. Изготовление микроэлектродов и работа с ними представляют определенные трудности, однако такой микроэлектрод позволяет прокалывать мембрану клетки и проводить внутриклеточные исследования. § 17.3. Датчики медико-биологической информации Многие медико-биологические характеристики нельзя непосредственно «снять» электродами, так как эти характеристики не отражаются биоэлектрическим сигналом: давление крови, температура, звуки сердца и многие другие. В некоторых случаях медико-биологическая информация связана с электрическим сигналом, однако к ней удобнее подойти как к неэлектрической величине (например, пульс). В этих случаях используют датчики (измерительные преобразователи). Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. Датчик, к которому подведена измеряемая величина, т. е. первый в измерительной цепи, называется первичным. В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал. Использование электрических сигналов предпочтительнее, чем иных, так как электронные устройства позволяют сравнительно несложно усиливать их, передавать на расстояние и регистрировать. Датчики подразделяются на генераторные и параметрические. Генераторные датчики под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. Укажем некоторые типы этих датчиков и явления, на которых они основаны: 1) пьезоэлектрические, пьезоэлектрический эффект (см. § 12.7); 2) термоэлектрические, термоэлектричество — явление возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, имеющих различную температуру спаев; 3) индукционные, электромагнитная индукция; 4) фотоэлектрические, фотоэффект. Параметрические датчики под воздействием измеряемого сигнала изменяют какой-либо свой параметр. Укажем некоторые типы этих датчиков и измеряемый с их помощью параметр: 1) емкостные, емкость; 2) реостатные, омическое сопротивление; 3) индуктивные, индуктивность или взаимная индуктивность. В зависимости от вида энергии, являющейся носителем информации, различают механические, акустические (звуковые), температурные, электрические, оптические и другие датчики. В некоторых случаях датчики называют по измеряемой величине; так, например, датчик давления, тензометрический датчик (тензодатчик) — для измерения перемещения или деформации и т. д. Приведем возможные медико-биологические применения указанных типов датчиков (табл. 26). Датчик характеризуется функцией преобразования — функциональной зависимостью выходной величины у от входной х, которая описывается аналитическим выражением у = f(x) или графиком. Наиболее простым и удобным случаем является прямо пропорциональная зависимость у = kx. Таблица 26
Обозначения: АД — артериальное давление крови, БКГ — баллистокардиограмма, ФКГ — фонокардиограмма, ОГГ — оксигемография, Т — температура, ДЖ — давление в желудочно-кишечном тракте. Чувствительность датчика показывает, в какой мере выходная величина реагирует на изменение входной: ина в зависимости от вида датчика выражается, например, в омах на миллиметр (Ом/мм), в милливольтах на кельвин (мВ/К) и т. д. Существенны временные характеристики датчиков. Дело в том, что физические процессы в датчиках не происходят мгновенно, это приводит к запаздыванию изменения выходной величины по сравнению с изменением входной. Аналитически такая особен-" ность приводит к зависимости чувствительности датчика от скорости изменения входной величины dx/dtили от частоты при изменении х по гармоническому закону. При работе с датчиками следует учитывать возможные, специфические для них, погрешности. Причинами погрешностей могут быть следующие факторы: 1) температурная зависимость функции преобразования; 2) гистерезис — запаздывание у от х даже при медленном изменении входной величины, происходящее в результате необратимых процессов в датчике; 3) непостоянство функции преобразования во времени; 4) обратное воздействие датчика на онкологическую систему, приводящее к изменению показаний; 5) инерционность датчика (пренебрежение его временными характеристиками) и др. Конструкция датчиков, используемых в медицине, весьма разнообразна: от простейших (типа термопары) до сложных доплеровских датчиков. Опишем в виде примера весьма простой датчик частоты дыхания — реостатный (резистивный). Этот датчик (рис. 17.5) выполнен в виде резиновой трубки 1 которая заполнена мелким угольным порошком 2. С торцов трубки вмонтированы электроды 3. Через уголь можно пропускать ток от внешнего источника 4. При растяжении трубки увеличивается длина Iи уменьшается площадь S сечения столбика угля и согласно формуле увеличивается сопротивление R где р — удельное сопротивление угольного порошка. Таким образом, если трубкой опоясать грудную клетку или, как это обычно делается, прикрепить к концам трубки ремень и охватить им грудную клетку, то при вдохе трубка растягивается, а при выдохе — сокращается. Сила тока в цепи будет изменяться с частотой дыхания, что можно зафиксировать, используя соответствующую измерительную схему. В заключение отметим, что датчики являются техническими аналогами рецепторов биологических систем. |