Поиск неисправностей в электронике

Глава 10 СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ БИОМЕДИЦИНСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

Применение электроники в медицине открыло одну из наиболее интересных областей техники. Когда был разработан телевизор, он считался чудом инженерной мысли. Но кто мог предсказать, что однажды прибор будет передавать детальное изображение человеческого тела! Этот день наступил — ультразвуковые, рентгеновские, магнитные технологии сегодня используются для фотографирования внутренних органов.

Биомедицинское оборудование можно разделить на две основных категории: средства диагностики и оборудование для лечения.

Диагностические инструменты: магниторезонансная визуализация, компьютерная томография, ультразвуковая визуализация, электромиография, электрокардиография, мониторы сосудистой и нервной системы, осуществляют измерения физиологических параметров, что нередко помогает врачам поставить диагноз.

Под терапевтическим оборудованием подразумеваются ультразвуковые массажные устройства глубокого прогревания, аппараты диатермии, электрохирургии, искусственной почки — все то, что помогает нашему организму работать более эффективно. Эта глава рассматривает некоторые наиболее распространенные типы биомедицинских приборов.

Молниеносно развивающийся рынок электронного оборудования в области защиты здоровья вызвал создание множества рабочих мест для профессиональных специалистов. Большинство больниц принимают на работу клинических инженеров и/или техников по биомедицинскому оборудованию, которые отвечают за электрическую безопасность и профилактическое техническое обслуживание, а также за выбор, ремонт и настройку аппаратуры. Производители постоянно нуждаются в опытных специалистах для сопровождения, ремонта и калибровки оборудования. Навыки, необходимые для такой работы, различаются в зависимости от уровня квалифицированной помощи, которую должен оказать специалист.

Для того чтобы тщательно оценить проблемы в таком оборудовании, необходимы глубокие знания физиологии и техники соответствующих измерений, а также понимание электроники. Крайне важно знакомство со стандартами безопасности и техническая компетенция, поскольку от работы приборов зависит жизнь пациента. Для работы с биомедицинским оборудованием часто требуется специальная подготовка. Некоторые школы предлагают специальные курсы. В других случаях можно получить аналогичный опыт, работая рядом с квалифицированным специалистом. Ассоциация но продвижению медицинской техники (Association for the Advancement of Medical Instrumentation — AAMI) выдает специальные сертификаты, получение которых требует подтверждения электронной подготовки, практического опыта и компетенции в ходе письменных экзаменов.

Требования безопасности

Возможно, вас ударяло током во время работы с электронным оборудованием. Надеемся, что вы пережили это с минимальными остаточными явлениями помимо увеличившегося уважения к правилам безопасности при работе с электричеством. Учитывая крайнюю важность безопасности, мы рассмотрим некоторые основные моменты.

Величина напряжения в электрических цепях является не единственным фактором, который определяет опасность для жизни человека. Не следует забывать о силе тока и сопротивлении тела.

Прохождение электрического тока через какую-либо часть тела имеет два негативных эффекта. Первый — выделение тепла, которое возникает каждый раз, когда ток проходит через кожу, где сосредоточено самое большое сопротивление. Второй — реакция нервов и мышц. Клетки реагируют на электрический ток так же, как на сигналы мозга, что может привести к сокращению мышц и оказывается сильнее нервной системы жертвы, заставляя мозг терять контроль над ситуацией.

Если через тело пройдет достаточный ток. может быть нарушена нормальная работа сердца и дыхания, что может обернуться смертельным исходом: пострадавший задохнется, или сердце перестанет перекачивать кровь. К несчастью, даже если источник тока убран, естественный ритм работы сердечной мышцы не всегда возвращается.

Прерывание ритма происходит, когда клетки сердечной мышцы теряют синхронизацию с соседними клетками. Вместо того чтобы работать вместе со скоординированными волнами сжатия, клетки начинают функционировать быстро и случайным образом. Это состояние называется фибрилляция желудочков. Многие случаи бытовой смерти — результат удара током. К трагедии может привести даже небольшой ток 100 мА, как показано в табл. 10.1.

Таблица 10.1. Физиологические последствия электрического удара

Некоторые аспекты современного здравоохранения провоцируют серьезные проблемы, связанные с обеспечением электрической безопасности пациентов. Более того, есть множество опасностей, уникальных именно для биомедицинской сферы, которые специалист должен отчетливо понимать. Сюда относятся высокочастотное излучение и электромагнитные волны, рентгеновское лучи, сильные магнитные поля, биорастворы и вредные вещества. Мы касаемся мер безопасности в данной главе. Поговорим о базовой электрической безопасности. Помните, что пациент окружен и часто присоединен к приборам, которые работают от сети переменного тока 120 В. Прерыватели сети и плавкие предохранители этих приборов обычно рассчитаны на токи не менее 0.25А и призваны защищать сами устройства, а не пользователя. Нервные и мышечные ткани наиболее восприимчивы к удару током при частотах между 50 и 60 Гц.

Большинство мест, где ведется работа с пациентами, содержат различные жидкости: физиологические растворы (очень хороший проводник), растворы для внутривенного введения, человеческие отправления (моча, кровь, рвотные массы и т. д.), которые часто проливаются или протекают через электрическое оборудование. Эти жидкости часто образуют проводящую цепь, которая приводит пациента в контакт с источником электропитания.

Основной линией защиты тела против электрического тока является кожа. Сухой наружный покров тела — достаточно плохой проводник, но, пройдя через кожу ток обнаруживает электролитические жидкости, которые имеют малое сопротивление. Многие процедуры в больнице требуют проникновения через кожу. В дополнение к хирургическим, лечебные и физиотерапевтические процедуры, которые проводятся в палатах, также создают мостики через кожу: иглы для внутривенных инъекций, различные катетеры и дренажные трубки.

Диагностические приборы, такие, как кардиомониторы и мониторы для контроля кровяного давления, должны быть непосредственно подключены к пациенту. Если неисправность прибора заставляет ток течь через пациента, то спасения нет. Не стоит забывать, что люди со слабым здоровьем часто более восприимчивы к поражению электрическим током и менее защищены от него.

Как вы помните из предыдущих глав, система распределения питания, которая используется в зданиях, имеет три провода в розетке: черный (фазный), белый (нейтральный) и зеленый (земля). Проводка в больницах и промышленных зданиях более сложная, но подаваемое для практических целей электропитание также представляет собой стандартную розетку, такую же, как в жилых домах.

Зеленый провод — это проводник для обеспечения безопасности, который должен быть хорошо заземлен.

Нейтральный подключен одним концом к трансформатору и также связан с землей.

Фазный подключен к другому выводу трансформатора и имеет потенциал 120 В переменного тока выше потенциала земли.

Задача зеленого провода — гарантировать, что металлические корпуса электрических устройств не могут иметь более высокого напряжения. Он всегда связан с шасси, корпусом или каркасом электрического прибора. Фазный и нейтральный провода должны быть изолированы от каркаса или шасси.

Если в приборе возникает неисправность и фазный провод образует контакт с шасси, ток потечет через безопасный провод заземления, а не через человека, который коснется прибора, как показано на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Безопасное заземление оборудования

Одна из процедур, которую необходимо всегда выполнять с оборудованием, предназначенным для ухода за пациентом, это проверка сопротивления заземления, которая требует использования очень точного омметра для измерения сопротивления между третьим выводом (земля) розетки и шасси. Оно должно быть меньше 500 мОм (0.5 Ом). Для достаточно точного измерения сопротивления используется специальный омметр с четырьмя проводами (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Проверка сопротивления заземления с использованием четырех проводов

Два провода создают известный ток в проводе заземления. Два других измеряют напряжение, которое возникает между концами провода, и по закону Ома, пропорционально сопротивлению.

Даже если неисправности не возникает, определенный ток все равно имеет место вследствие емкостного взаимодействия фазного провода и шасси. Если провод заземления поврежден, этот ток может пойти от фазного провода на шасси и через пациента на землю, что называется током утечки. Для проверки тока утечки необходимо разомкнуть провод заземления и измерить ток, который будет идти между человеком, касающимся шасси, и землей. Человека заменяет стандартная тестовая нагрузка, изготовленная из резисторов и конденсаторов, которая имеет импеданс 1000 Ом. как показано на рис. 10.3. Вольтметр должен показывать меньше 100 мВ, что соответствует току менее 100 мА через «пациента».

Рис. 10.3. Проверка тока утечки

Выполнив эти два основных теста обеспечения безопасности, специалист по биомедицинскому оборудованию может предотвратить неприятности даже в том случае, если возникнет неисправность оборудования. Если фазный провод замыкается на шасси, провод заземления защитит пациента и сработает предохранитель. Если провод заземления замыкается на кабель питания, нормальный ток утечки гарантирует, что это не причинит вреда. Для оборудования, которое проходит регулярную проверку в рамках общей программы ни один из таких дефектов не может остаться незамеченным, а вероятность возникновения обоих в одном устройстве практически равна нулю. На рис. 10.4 показан тестер электрической безопасности промышленного назначения, который выполняет эти и другие проверки. Обратите внимание, что проверяемый прибор включается в анализатор, и для измерения сопротивления провода заземления кабель подключен к шасси.

Рис. 10.4. Тестер электрической безопасности

Одной из основных причин, почему больницы стали нанимать технических специалистов для обслуживания своего оборудования, стала необходимость обеспечения безопасности пациентов. Объединенная комиссия по аккредитации госпиталей (JCAH) — руководящий орган, который устанавливает стандарты электрической безопасности и инспектирует госпитали для подтверждения того, что оборудование прошло проверку и ведется учет всех выполненных действий. Без этого подтверждения больницы не могут считаться организациями обеспечения медицинского страхования в рамках государственных программ. Хотя обеспечение программы безопасности все еще является важной функцией инженерного департамента больниц, роль технического специалиста в области здравоохранения распространилась на многие другие области, что обеспечило значительную экономию в сфере больничной индустрии.

Значительная часть оборудования, которое используется сегодня в больницах, служит диагностическим средством для докторов, медсестер и других работников здравоохранения. Развитие этого типа оборудования в значительной степени стало следствием космической программы 1960 годов. Наблюдение физиологических параметров астронавтов стало необходимым, поскольку тело человека впервые подвергалось воздействию неизвестной среды и сил. Например, в определенный период ученые считали, что человек не может выжить в условиях движения, выше скорости звука. Но потом появились сверхбыстрые машины, и ученые занялись изучением воздействия таких условий на человеческое тело.

Были разработаны методы и оборудование для измерения частоты сердечных сокращений, кровяного давления, параметров дыхания, температуры тела, электрической активности мозга и т. д. Часто эта информация передавалась в виде радиосигналов, для того, чтобы обеспечить человеку полную свободу движений. Все эти инструменты нашли применение на рынке услуг здравоохранения, и в 1970 годах стали возникать фирмы — поставщики биомедицинского оборудования.

Другие существующие технологии — рентгеновская и ультразвуковая визуализация (разработанная в результате исследований эхолокатора) были улучшены и стали применяться в медицине. Были созданы различные типы преобразователей для формирования электрических сигналов, пропорциональных таким показателям, как содержание в крови кислорода, двуокиси углерода, окиси углерода, различных токсинов и т. д. Были разработаны очень точные инструменты для измерения малых единиц напряжения, тока или сопротивления (проводимости) для формирования количественных оценок этих переменных величин.

Для того чтобы любой из этих приборов служил по своему назначению, медицинский персонал должен уметь протестировать его. Это поможет убедиться в точности результатов и провести настройки для коррекции расхождения между выходным сигналом, который должен быть, и выходным сигналом, который реально выдает прибор. Этот процесс обычно называется калибровкой. Для диагностического оборудования калибровка выполняется путем подачи на вход известной величины и настройки прибора для обеспечения соответствующего выходного сигнала. Формы входных и выходных воздействий могут быть очень разными для различных типов диагностических инструментов, более специфические детали будут обсуждаться при рассмотрении конкретного оборудования.

Во-первых, необходимо проверить работу сердца. В ситуациях оказания первой помощи необходимо найти пульс, прощупав изменение давлений в основных кровеносных сосудах. Наличие пульса говорит о том, что пострадавший жив, но не дает достаточной информации о текущем состоянии сердца пациента.

Сердце — мышечный орган, часть очень сложной структуры, известной как кровеносная система. У него есть локальная система управления, которая синхронизирует все аспекты сердечных сокращений и инициирует движение мышцы. Это очень похоже на работу пресса на производственных предприятиях, который снабжен программируемым логическим контроллером для синхронизации подачи исходного материала, выполнения операции и передачи готового изделия на следующий этап. Так же, как производительность пресса руководится крупной системой управления, частота сердечных сокращений ускоряется и замедляется нервной системой.

Мышечный орган делится на две половины, левую и правую, каждая их которых состоит из двух камер: верхней (предсердие) и нижней (желудочек). Задача предсердия — принимать из вен возвращающуюся из тела и легких кровь и подавать ее в желудочки — основные камеры насоса. Желудочки заставляют кровь идти в артерии для подачи в разные органы и легкие. Каждый удар сердца начинается в локальном нервном центре, который расположен в правом предсердии и называется синусно-предсердный узел. Синусно-предсердный узел изменяет ионный баланс вокруг, который можно измерить по изменению электрического напряжения. Этот маленький импульс заставляет соседние мышечные клетки сокращаться или деполяризовываться. Происходит цепная реакция, которая в результате дает волну сжатия мышцы, распространяющуюся вокруг и вниз по мышце предсердия. Это движение заставляет кровь идти через клапан в желудочки. Волна сжатия прекращается на уровне ткани, которая разделяет предсердие от желудочков. Импульс от синусно-предсердного узла передается также в атриовентрикулярный узел, который создает временную задержку, чтобы позволить предсердию завершить сжатие. После этой короткой задержки атриовентрикулярный узел выдаст импульс, передающийся но нервным волокнам в пучок Гиса, расположенный в нижней части внутренней стенки желудочков. Это создает волну мышечного сжатия изнутри наружу и снизу вверх в нижних камерах, которое выдавливает кровь в артерии.

Ионная активность мышечных клеток, связанная со сжатием и расслаблением, распространяется по всему телу и может быть измерена с помощью преобразования биологического (ионного) потенциала в электрический потенциал с помощью электродов. Электроды представляют собой небольшие металлические диски из серебра и хлорида серебра, см. рис. 10.5.

Рис. 10.5. Электроды ЭКГ

Они устанавливаются на адгезивный диск. Пропитанная электролитическим гелем губка создает контакт электрода с кожей, на котором всегда генерируется небольшой потенциал. Комбинация материала электрода и ионов тела работает как гальванический элемент. По мере того как ионы приходят и уходят вследствие сердечной активности, соответствующим образом меняется и напряжение на электродах. Это создает электрический сигнал, показывающий активность сердца. Получаемые формы сигналов называются электрокардиограммами (ЭКГ).

Электрокардиографы

Электрокардиограф представляет собой прибор, который записывает изменяющиеся во времени формы сигналов, отражающих работу сердца (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Определения сигналов ЭКГ

Волна Р покалывает сжатие предсердия после запуска атриовентрикулярным узлом. Волны Q. R, S являются комбинированным результатом расслабления предсердия и сжатия желудочков. Волна Т является результатом расслабления желудочков. Измеряя высоту (амплитуду напряжения) и время между событиями, врач может узнать очень много об электрических показателях работы сердца. Для получения полной картины активности сердца, врач должен рассмотреть ее с нескольких точек зрения. Диагностическая ЭКГ дает 12 различных форм, каждая из которых представляет различные точки зрения или.

К пациенту присоединяются десять электродов. Три подключаются к верхней части правой половины груди (RA), к верхней части левой половины груди (LA) и нижней части живота (LL). Эти положения электродов часто называют правая рука, левая рука и левая нога, поскольку ранние варианты получения ЭКГ требовали ведер с соленой водой вместо небольших адгезивных электродов. Три электрода образуют треугольник вокруг сердца, создавая три угла наблюдения электрической активности. Вывод I идет от правой руки к левой руке, вывод II от правой руки к левой ноге, а вывод III от левой руки к левой ноге, как показано на рис. 10.7.

Рис. 10.7. Треугольник Эйнтховена для электрических измерений

Три других модели сердца формируются с помощью измерения сигнала электрода на одной конечности относительно среднего значения двух других. Они называются AVR, AVL, AVF. Еще шесть электродов (V1-V6) располагаются по дуге на левой стороне грудной клетки. Каждый из этих выводов дает значение относительно среднего значения трех электродов конечностей. Десятый электрод прикрепляется в правой части живота (правая нога) для улучшения отношения сигнал/шум. Электрически каждый усилитель ЭКГ имеет только два входа, которые измеряют потенциал между двумя электродами. Диагностический ЭКГ имеет три таких усилителя и схему автоматического переключения для подключения усилителей к соответствующим электродам, установленным на пациенте.

На рис. 10.8 показаны сигналы для полной диагностики с помощью ЭКГ с 12 выводами.

Рис. 10.8. ЭКГ

Вертикальная шкала имеет масштаб 0.5 мВ на большое деление. Обратите внимание на калибровочный импульс 1 мВ слева. Комбинация из трех выводов записывается одновременно, и машина автоматически переключается на другие наборы выводов каждые 2,5 с. ЭКГ делится на четыре секции с результатами для трех проводов в каждой. В ходе теста выбираются три провода, которые задают ритм, они показаны в нижней части диаграммы. Современные аппараты ЭКГ выполняют автоматически целый набор измерений и вычислений, а также предлагают врачу диагноз, который он может принять или отвергнуть. Это можно видеть в верхней части диаграммы. Одноканальные ЭКГ мониторы используются для постоянного наблюдения пациентов в критическом состоянии. Эти приборы используют только электроды на конечностях. В типичном трехпроводном мониторе набор входных переключателей выбирает, какие два электрода измеряются. Усиленный сигнал ЭКГ оцифровывается и хранится в памяти, содержащей информацию за 5-10 с.

Формы выходных сигналов выводятся на экран ЭЛТ. Если медицинский персонал замечает аномалию, то по нажатию кнопке Record происходит запись этой информации, прежде чем она покинет экран. После этого данные распечатывается на бумажном носителе.

Поскольку эти биопотенциалы очень малы по сравнению с величиной электрического шума, который присутствует в современной окружающей среде, мониторы ЭКГ требуют специальных усилительных схем, которые называются дифференциальными усилителями. Дифференциальный усилитель производит измерения разности напряжений между двумя точками, не связанными с землей. Один вход дифференциального усилителя инвертируется, другой — нет. Эти два сигнала складываются. Любой сигнал, который присутствует на обоих входах, в частности, сигналы шума, возникшего в проводах, исчезают. Это называется синфазным сигналом. Любая разница между двумя электродами усиливается, обычно с коэффициентом 1000. Это называется дифференциальным усилением. Соотношение между дифференциальным усилением и синфазным усилением называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала КООС (CMMR). Хороший аппарат для ЭКГ должен иметь этот коэффициент 100 000 или более, для того чтобы избавиться от шума и усилить сигнал.

Поскольку электроды подключаются непосредственно к коже пациента иногда на несколько дней подряд, не должно быть ни малейшего шанса, что ток пойдет от аппарата ЭКГ в пациента или из пациента в аппарат. Следовательно, все схемы усилителей ЭКГ должны быть полностью изолированы от земли, как показано на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Изоляция приемной и передающей стороны ЭКГ

Источник питания для дифференциального усилителя обычно изолируется трансформатором с низкой утечкой или преобразователем постоянного тока в постоянный ток для обеспечения отсутствия связи с землей шасси. Когда сигнал усиливается до уровня около 1 В, он проходит в другие части схемы через каскады гальванической развязки, обеспечивающие определенную форму изоляции. Обычно сигнал модулируется в сигнал более высокой частоты и проходит через трансформатор или оптический блок сопряжения для демодуляции на стороне с заземлением. Для диагностики ЭКГ полосовой фильтр устанавливает верхнюю точку спада на 100 Гц и нижнюю точку спада на 0,05 Гц. Для целей мониторинга верхняя частота устанавливается обычно 50 Гц для предотвращения влияния основного источника помех (электросеть), а нижняя частота обычно 0.1 Гц во избежание излишнего дрейфа базовой линии.

Многие аппараты ЭКГ содержат встроенный источник 1 мВ, который используется для калибровки. Часто оператор может отрегулировать коэффициент усиления таким образом, что когда на вход подается импульс 1 мВ, на выходе величина сигнала составит около 1 см. В таких случаях специалист по биомедицинскому оборудованию должен проверить внутреннюю калибровку с использованием высококачественного вольтметра.

Также специалист должен обеспечить генерацию точного входного сигнала 1 мВ и настроить коэффициент усиления в аппарате для обеспечения желаемого выходного отклонения на самописце или дисплее. Большинство поставляемых генераторов не имеет прецизионной регулировки уровня выходного сигнала. На выходе функционального генератора можно установить делитель напряжения, как показано на рис. 10.10. К сожалению, для настройки выходной амплитуды необходим очень качественный осциллограф с дифференциальным входом.

Рис. 10.10. Генерация входного сигнала 1 мВ

Другой способ получить сигналы столь низкой амплитуды заключается в использовании резисторов с малым отклонением от номинального значения, образующих прецизионную схему деления 100:1 или 1000:1, и применении осциллографа соответствующего класса точности для регулировки генератора при получении 0,1 В или 1,0 В соответственно. Другой подход состоит в использовании специально спроектированного симулятора ЭКГ, показанного на рис. 10.11. Многие из имеющихся устройств дают имитацию форм сигналов ЭКГ и кровяного давления, а также имеют выход калиброванных импульсов.

Рис. 10.11. Симулятор физиологических сигналов

Следует также выполнить и другие тесты: проверить частотную характеристику и коэффициент ослабления синфазного сигнала. Частота среза по ВЧ определяется точкой, в которой амплитуда сигнала уменьшится до 70 % своего исходного значения. Нижнюю граничную частоту найти не так просто. При частоте 0,05 Гц 1 цикл будет продолжаться 20 с, что сделает обычный тест очень утомительным занятием. Лучший метод заключается в подаче на вход последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой 1 мВ и наблюдение времени, необходимого для того, чтобы выходной сигнал упал до 0,5 мВ. Чем большее время для этого требуется, тем ниже граничная частота. Это соотношение определяется формулой:

F = 0,22/Т, где Т — период следования прямоугольных импульсов.

Для измерения коэффициента ослабления синфазного сигнала подается сильный синфазный сигнал, наблюдается выходной сигнал и рассчитывается усиление синфазного сигнала, как это показано на рис. 10.12. Затем измеряется дифференциальное усиление, и их отношение дает искомый коэффициент. Минимально допустимым коэффициентом ослабления синфазного сигнала считается 100 000.

Рис. 10.12. Измерение коэффициента ослабления синфазного сигнала

Сопротивление утечки проводов и изоляция пациента также нуждаются в регулярной проверке. При тестировании просто проводятся измерения тока, уходящего через вход аппарата ЭКГ и через пациента при отключении аппарата от земли (рис. 10.13).

Рис. 10.13. Тест утечки проводов

Каждый провод должен иметь ток меньше 10 мкА. Тест изоляции определяет, сколько тока будет протекать от пациента на входы аппарата ЭКГ, если пациент коснется 220 В переменного тока, как это показано на рис. 10.14.

Рис. 10.14. Тест входной изоляции

Должным образом изолированный усилитель должен давать при этих условиях менее 20 мкА. Многие тестеры на электрической безопасности содержат такую стандартную функцию.

Большинство проблем, случающихся с аппаратами ЭКГ, связаны чаще всего с ошибками оператора и физиологическими факторами, а не неисправностями в схемах. Первичная проблема заключается в плохом контакте электродов. Это может быть вызвано многими причинами: высох гель для электродов, кожа пациента может иметь аномально высокое сопротивление, которое воздействует на эффективность работы электродов, адгезив не обеспечивает контакт с кожей в достаточной степени. Например, для людей с жирной кожей электрод и поверхность адгезивного диска должны быть целиком протерты спиртом. Для пациента с очень сухой кожей необходимо протереть спиртом кожу в месте контакта перед установкой электродов. В любом случае должен присутствовать гель для электродов.

Быстрый тест может идентифицировать проблему, если она связана с неисправностью одного из электродов. Просмотрите результаты, снятые каждым из электродов I, II, III. Если один из них неисправен, то два графика будут иметь излишний шум 50 Гц и сам выход будет некачественным. Третий график будет

нормальным. Дефект, вероятно, содержится в общем для двух некачественных изображений электроде.

Рис. 10.15 показывает два примера такого теста. В первом непосредственно после калибровочного импульса шум 50 Гц присутствует на выводах I, III. Это значит, что дефект в электроде левой руки. Во втором смещение базового уровня выводов II, III показывает, что проблема в электроде левой ноги.

Рис. 10.15. Признаки неисправности в одном из электродов

Если обнаружена неисправность электронной схемы, то наиболее эффективным будет подача сигнала моделирования ЭКГ, а также инспекция прохождения этого сигнала по схеме. Методика «разделяй и властвуй» эффективна в процессе исключения, который применяется и в других системах. Любые детали на замену, особенно схема изолированного предусилителя, должны приобретаться у производителя оборудования для обеспечения их соответствия характеристикам изоляции и коэффициента ослабления синфазного сигнала.

Электроэнцефалографы

Биопотенциалы вырабатываются и другими органами. Еще один диагностический инструмент, подобный ЭКГ, это электроэнцефалограф. ЭЭГ измеряет нервную активность мозга и выдаст формы сигналов, которые распечатываются многоканальным самописцем (рис. 10.16).

Рис. 10.16. Электроэнцефалограф

Этот прибор часто используется для наблюдения пациента, подключенного к системе поддержания жизнедеятельности, чтобы следить за работой мозга для обследования больных с различными неврологическими и сенсорными проблемами.

ЭЭГ имеет много усилителей и проводов, которые позволяют поместить на волосистую часть кожи головы множество электродов и наблюдать возникающую картину одновременно. Сигналы имеют среднюю амплитуду 50 мкВ, что делает коэффициент ослабления синфазного сигнала очень важным показателем для ЭЭГ. Обслуживание прибора с множеством идентичных каналов дает несколько удобных возможностей специалисту. Изготовители часто собирают подобные аппараты с использованием модулей, так что каждый усилитель представляет собой отдельный модуль. Если в одном канале возникает неисправность, можно менять местами платы предусилителей, чтобы проверить, переходит ли дефект на другой канал (проблема в плате) или же неисправность остается на месте (проблема может быть в кабеле, идущем к пациенту или выходных устройствах).

Электромиографы

Электромиограф (ЭМГ) используется для измерения реакции скелетных мышц. Измерения времени реакции, которые называются исследованиями нервной проводимости и скорости проводимости, могут выполняться с помощью стимуляции нервной системы импульсом тока, например, на кисти, и измерения реакции на мышцах плеча, что дает ценную информацию медику. Так, защемленный нерв замедляет скорость импульса, это увеличивает задержку или время задержки. ЭМГ также позволяет измерить множество различных показателей мышечной активности, например, действие сфинктеров. Мочевой пузырь накачивается, как воздушный шар, двуокисью углерода, и электроды измеряют реакцию мышц, пытающихся удержать его. Другие аппараты ЭМГ используются в операционных для измерения неврологической активности во время сложных операций на мозге и позвоночнике.

Все приборы, которые измеряют биопотенциалы — ЭКГ, ЭЭГ и ЭМГ — имеют очень малые значения входных сигналов и используют усилители, которые должны быть изолированы от земли. Это может вызвать определенные затруднения у специалиста при прослеживании сигнала от входа до выхода. Использование обычного, заземленного осциллографа с одним щупом может вызвать значительный шум в схеме. Кроме того, осциллограф сам по себе не может работать с низкими уровнями сигналов при очень малом отношении сигнал/шум. Лучший выход — использовать высококачественный дифференциальный осциллограф, у которого ни один из входных каналов не проводит измерения относительно земли. Многие двухканальные осциллографы позволяют инвертировать канал 2 и суммировать его с каналом 1 для обеспечения дифференциальных измерений. После того как сигнал был усилен изолированным предусилителем, можно вспомнить о традиционных методах обслуживания аналоговых схем.

Самописцы

Все описанные выше устройства, связанные с измерением биопотенциалов, используют самописцы для распечатки результатов проведенных тестов — механизмы. подающие бумагу с постоянной скоростью через устройство, которое ставит на бумаге пометки. Бумага перемещается по оси X, а устройство, делающее пометки, — по оси Y. Это дает график изменения биологического сигнала во времени. В более старых самописцах усиленный биологический сигнал подастся в двухтактный усилитель с выходным током, достаточным для отклонения катушки гальванометра. Перо, которое механически закреплено на выходном валу гальванометра, ставит отметки на бумаге.

Многие самописцы в прошлом использовали перо с подогревом острия и термочувствительную бумагу. Ширина линии определялась количеством тепла на острие пера. Постепенно на кончике пишущего механизма накапливалась грязь, что давало очень широкие линии, сигнализирующие о том, что настало время для замены.

Другие производители использовали чернильные перья. Эти системы при правильной настройке давали очень высококачественные графики. Перо было просто капиллярной трубкой, конец которой находился в контакте с бумагой. Чернила выходили под давлением. Если перо не было настроено для обеспечения контакта с бумагой по всему периметру, чернила образовывали капли и расплывались. Одной из процедур технического обслуживания для этих приборов была тщательная очистка острия пера с помощью бумаги.

Сейчас индустрия здравоохранения все еще использует значительное число упомянутых самописцев. Однако в последние годы наметилась тенденция к использованию цифровой регистрации физиологических сигналов.

Цифровые самописцы используют линейный массив нагревательных элементов с цифровым управлением. Они располагаются очень близко друг к другу и могут давать весьма четкие линии на любом месте страницы. По мере того как бумага подается через нагревательный элемент, цифровая форма физиологического сигнала нагревает соответствующие точки элемента, что в результате приводит к образованию отметки на бумаге. С помощью того же элемента можно напечатать буквенно-цифровые символы, посылая сигналы на соответствующие термоэлементы, что похоже на то. как компьютер посылает их на матричный принтер. Некоторые системы используют даже рулон теплочувствительной бумаги и печатают масштабную сетку на диаграммах вместе с биосигналом (рис. 10.17).

Рис. 10.17. График на ленте самописца, полученный цифровым способом

Рентгеновские установки

Рентгеновское излучение было открыто в начале XX века и быстро стало важнейшим инструментом в медицине. Над технологией построения подобных машин размышлял еще Эдисон около ста лет назад. Главное достоинство этого изобретения в способности проникать сквозь объекты. Рентгеновские лучи представляют собой жесткое коротковолновое электромагнитное излучение, подобное свету и радиоволнам, действующее на фотопленку и флуоресцентные материалы. Таким образом получается изображение. Современные рентгеновские установки значительно продвинулись в эффективности, качестве изображений, системах управления, безопасности и обработке результатов с помощью компьютеров.

Когда электромагнитное излучение попадает на материалы с различными свойствами, одна часть его отражается, другая поглощается, а третья проходит сквозь материал. Частота излучения, энергетический уровень, тип материала определяют соотношение между этими тремя составляющими. Рентгеновские лучи могут проходить через мягкие ткани гораздо легче, чем через кости. Для получения рентгеновского снимка пациента помещают между источником рентгеновского излучения и фотопленкой. Лучи, которые проходят через ткани, оставляют на пленке темные области, а области, которые ослабляют прохождение рентгеновских лучей (кости), дают на пленке прозрачные участки. В результате получается снимок структуры костей больного. Это требует очень короткого, относительно сильного импульса рентгеновского излучения.

Другой тип процедуры называется рентгеноскопическим исследованием, когда небольшая доза излучения пропускается через пациента в течение некоторого времени. Вместо фотопленки устанавливается покрытый фосфором экран, который преобразует изображение в рентгеновских лучах в видимое изображение. На этот экран направляется видеокамера, которая затем дает подвижную картину изменения рентгеновского изображения. Таким образом получают изображение пищеварительного тракта. Пациент глотает некоторое количество непроницаемого для излучения раствора (смесь бария с молоком), а рентгенолог наблюдает на экране монитора, как раствор движется по пищеводу.

Рентгенография также очень полезна для кардиологов при пропускании катетера через артерию в сердце. После этого они вводят непроницаемую для радиации жидкость в коронарные артерии. Жидкость видна на экране монитора, создавая изображение артерии. Эта процедура называется коронарная ангиограмма. Хотя кровеносные сосуды, через которые проходит катетер, не показаны на рентгеновском изображении, врач может наблюдать движение катетера по артериальной системе и по характеру перемещения определить, не встречает ли он препятствий и не смещается ли он.

Электромагнитное излучение возникает, когда электрон ускоряется и соударяется с мишенью. Частота его определяется молекулярной структурой мишени. Этот принцип используется в электронно-лучевых трубках и мониторах компьютеров. Электроны ударяются в мишень (фосфор экрана), который излучает видимый свет. Трубка рентгеновского излучения работает точно гак же, но при помощи вольфрамовой мишени, которая дает излучение с частотами, лежащими в диапазоне спектра рентгеновских лучей.

Рентгеновская трубка имеет катод с нитью подогрева, анод или мишень, и в ней соблюдается полный вакуум. Нагреватель вызывает термоэлектронную эмиссию электронов из катода. Между катодом и анодом подается очень высокое напряжение. Положительный заряд анода притягивает эмитированные из катода электроны, и они ускоряются в вакууме до тех пор, пока не столкнутся с анодом. Более 99 процентов энергии преобразуется в тепло. Только 1 процент преобразуется в рентгеновские лучи.

Рис. 10.18 показывает трубку с неподвижным анодом, аналогичную установленной в рентгеновском аппарате дантистов.

Рис. 10.18. Рентгеновская трубка с неподвижным анодом

Поскольку здесь необходимы только короткие сигналы с низким уровнем энергии, на аноде рассеивается немного тепла. Для процедур, требующих большей мощности, например, получения рентгеновского снимка груди профессионального футболиста, фиксированный анод не может рассеять такое количество тепла. Для решения этой проблемы используется трубка с вращающимся анодом, показанная на рис. 10.19.

Рис. 10.19. Рентгеновская трубка с вращающимся анодом

Анод представляет здесь ротор индукционного двигателя. Катушка статора окружает эту стеклянную трубку с вакуумом и создает магнитное поле, которое вращает якорь внутри трубки. Электронный луч попадает на скошенный край вращающегося вольфрамового диска, прикрепленного к якорю. Хотя рентгеновские лучи всегда возникают в одной и той же точке, тепло распространяется по всему диску. Некоторые трубки имеют кожухи водяного охлаждения для отвода тепла от анода.

Рентгеновские установки внешне очень просты и незамысловаты. Для получения качественных изображений необходимо контролировать только три переменных:

1. Напряжение на трубке (в киловольтах — кВ).

2. Ток электронного луча (в миллиамперах — мА).

3. Время, в течение которого включен электронный луч (в миллисекундах — мс).

Конечно, метод электронного контроля этих переменных и различные периферийные устройства и средства безопасности могут быть достаточно сложными.

Напряжение на трубке влияет на проникновение рентгеновского луча за счет воздействия на скорость, с которой электроны ударяют о мишень. Когда на мишень попадают электроны с низкой скоростью, большая часть их энергии преобразуется в тепло или фотоны низкой энергии, которые не вносят вклада в получение изображения. Энергетический уровень оказывает также влияние на частоту излучения. Управление высоким напряжением достигается за счет использования различных соотношений числа обмоток трансформатора, который подает напряжение на рентгеновскую трубку. Средства управления, которыми пользуется оператор, обычно представляют собой механические переключатели низкого напряжения, которые используются для переключения реле, контролирующих напряжение трубки.

Катодный ток обычно регулируется с помощью изменения балластного сопротивления. Различные производители используют разные методы управления током.

Продолжительность воздействия также может регулироваться разными способами. В старых системах часто использовался простой заводной механический таймер, который размыкал контакты первичной цепи по истечении времени. Для современных систем могут использоваться резистивно-емкостные или цифровые схемы задания времени различного типа. Когда оператор нажимает на кнопку старта, контакты замыкаются и ток течет в первичной цепи. После завершения заданного времени, контакты размыкаются, прекращая воздействие. Рис. 10.20 показывает простую систему управления рентгеновской установки.

Рис. 10.20. Простая система управления рентгеновской установки

В современных рентгеновских установках применяются различные предохранительные средства безопасности и соответствующие системы управления. Например, вращающийся анод в полностью изолированной трубке с вакуумом до начала воздействия должен быть разогнан до полной скорости, а затем быстро снизить скорость для предотвращения износа подшипника. Схема управления рентгеновской установки должна обеспечивать разгон анода до начала воздействия. В установочном оборудовании рентгеновских аппаратов предусмотрены и другие средства защиты от случайного воздействия. Методы контроля температуры нагрева предотвращают повреждение дорогостоящей трубки.

Специалист по биомедицинскому оборудованию должен знать все механизмы управления в системе рентгеновской установки, для того чтобы найти причину неисправности. Умение читать логические и другие схемы очень важна для обслуживания таких систем. Высокие напряжения во вторичных цепях могут быть очень опасны, и это необходимо учитывать. Многие схемы системы контроля находятся под напряжением 220 В, и через них проходит значительный ток, что может превратить специалиста в пациента или привести к летальному исходу. Дополнительный риск состоит в неоднократном воздействии рентгеновских лучей, которые оказывают негативное воздействие на организм, в частности, на глаза и половую систему. Считается, что лучи вызывают нарушения в большинстве жизненно важных органов. К несчастью, радиацию невозможно обнаружить без специального оборудования. Однако вы можете руководствоваться звуками управляющей системы, которая генерирует излучение. Специалист должен всегда находиться за защитной стенкой во время старта установки и рентгеноскопии, всегда носить защитный свинцовый фартук. Сотрудники, работающие с рентгеновским оборудованием, в том числе и специалист по обслуживанию, должны носить учетную карточку, на которой указано количество радиации, воздействию которой они подверглись в течение месяца.

Наиболее важными инструментами при работе с рентгеновским оборудованием являются цифровой вольтметр и осциллограф. Необходимо в любом случае измерять напряжение и ток на стороне высокого напряжения трансформатора. для чего нужен делитель напряжения высокой точности. Этот прибор должен иметь совместимые разъемы для подключения к рентгеновскому аппарату, и должен быть способен изолировать пользователя от напряжения до 100 000 В. Высокое напряжение делится в 1000 раз и его можно измерить осциллографом или цифровым вольтметром (рис. 10.21). Пробник постоянного тока с зажимами полезен для измерения тока в трубке без подключения амперметра к схеме.

Рис. 10.21. Высоковольтный делитель для калибровки рентгеновской установки

Делитель напряжения и пробник тока, описанные выше, полезны при выполнении калибровки и тестирования выхода и специфических операций. Время воздействия измеряется по сигналам на экране осциллографа, снятого с делителя напряжения. Эти тесты должны выполняться регулярно для гарантии того, что пациент не получает слишком большую дозу облучения, и пленка реагирует на первый импульс (так что техник не должен выполнять несколько пусков).

Важно также общее качество изображения. Разрешение системы определяет степень детальности, которую может обеспечить изображение. Обычно для оценки этой характеристики используется тестовая сетка, которая изготавливается из нескольких проволочных ячеек, вставленных в прозрачную для излучения среду. например, пластик. Скажем, одна ячейка сетки может иметь шестнадцать линий на 2,54 см, следующая — 32 линии на 2,54 см и т. д. (рис. 10.22).

Рис. 10.22. Тестовая сетка для рентгеновской установки

Здесь сетка экрана (прямоугольники справа), пластинки из трех различных материалов (горизонтально расположенные справа), металлические диски нескольких диаметров (слева) и другие материалы, обычно используемые в медицинских процедурах (вверху и внизу). Тестовая сетка помещается на рентгеновский стол, выполняются снимки при различных установках напряжения и тока.

Значительная часть технического обслуживания, которого требует рентгеновский кабинет, является механической. Столы с приводами от моторов для наклона и выдвижные части столов требуют регулярного осмотра и смазки. Механизмы с противовесами, которые позволяют технику весом 50 кг работать с оборудованием весом более 100 кг. должны быть тщательно настроены. Используются также системы безопасного торможения, предотвращающие травмы. которые может нанести головка установки, если откажет держатель.

Компьютерный томограф

Описание рентгеновских систем будет неполным без обзора наиболее комплексных на сегодня рентгеновских систем, которые называются компьютерными аксиальными томографами. Компьютерный аксиальный томограф использует генератор рентгеновских лучей и устройство формирования цифрового изображения, расположенный на вращающейся на 180° каретке. Пациент помещается в центре этого механизма через тороидальное отверстие. Часть тела больного, которая должна быть исследована, помещается на пути рентгеновского луча. Система циклически снимает рентгеновское изображение и вращает каретку, как показано на рис. 10.23.

Рис. 10.23. Механизм компьютерного аксиального томографа

После того как были получены и оцифрованы все изображения, компьютер составляет двумерную модель, которая показывает разрез тела пациента (рис. 10.24).

Рис. 10.24. Изображение головы, полученное с помощью компьютерного аксиального томографа

Компьютерный аксиальный томограф представляет собой очень дорогое и сложное электронно-механическое оборудование. Для того чтобы окупить затраты, его нужно постоянно использовать, но при этом приходится, соответственно, нести расходы на оплату труда сервисного инженера. Изготовители компьютерных аксиальных томографов часто предоставляют сервисного представителя для систематического технического обслуживания и решения проблем, в течение нескольких часов, как часть сервисного контракта с больницей. Только сервисный контракт на обслуживание таких систем может стоить 100 000 долларов в год. Если работающий в больнице специалист но обслуживанию биомедицинского оборудования отвечает за компьютерный аксиальный томограф, необходимо, чтобы он прошел подготовку на предприятии-изготовителе, чтобы гарантировать быстрое получение запасных частей.

Магнитно-резонансные системы

Одним из наиболее впечатляющих высокотехнологичных приборов, которые разработаны в области биомедицины, являются системы магнитно-резонансной томографии (или ядерно-магнитный резонанс — ЯМР) — рис. 10.25.

Рис. 10.25. Пациент в цилиндре для сканирования установки ЯМР

Как описано выше, компьютерный аксиальный томограф может реконструировать данные из нескольких рентгеновских изображений для формирования разрезов внутренних органов и структур тела. Оборудование ЯМР может создавать аналогичные изображения и не так ограничено в ориентации срезов. Кроме того, этот метод не подвергает пациента вредному ионизированному воздействию радиации (рентгеновских лучей), поскольку он вместо излучения использует магнитные поля.

Полное описание принципов работы установок ЯМР лежит за пределами предмета данной книги. Мы рассмотрим только некоторые базовые концепции. Поскольку атомы нашего тела вращаются, они образуют магнитные полюса: северный и южный. Ориентация полюсов случайна, и поэтому мы не создаем четкой магнитной ориентации. Однако если нас поместить в очень сильное магнитное поле, все наши полюса выстроятся в одном из двух направлений (параллельно или противоположно) внешним линиям магнитного потока. С помощью высокочастотного радиоимпульса можно заставить магнитные полюса изменить направление. Это высвобождает некоторое количество высокочастотной энергии, частота излучения которой связана с природой тканей и интенсивностью магнитного ноля.

Магнитное поле генерируется таким образом, что его интенсивность возрастает линейно по наблюдаемой оси. Следовательно, радиочастоты, которые образуются при перемещении атомов, показывают их расположение в магнитном поле. Эта информация собирается антеннами в сканирующей камере и компьютером для формирования изображения.

Пациент располагается таким образом, что все его тело находится внутри длинной грубы (см. рис. 10.25). Вокруг трубы расположены сверхпроводящие электромагниты, которые создают сильное магнитное поле, для поляризации атомов пациента. Больной ничего не чувствует, за исключением, может быть, некоторых симптомов клаустрофобии. Компьютерное оборудование и рабочее место оператора обычно расположены отдельно или даже в другом помещении, как показано на рис. 10.26.

Рис. 10.26. Рабочее место для обработки данных и управления установки ЯМР

Магнитно-резонансное изображение способно показывать различия в мягких тканях лучше, чем получаемые компьютерным аксиальным томографом с помощью рентгеновских лучей, и может показать сечение пациента по любой из трех осей. На рис. 10.27 показано магнитно-резонансное изображение живота сбоку. Обратите внимание налетали позвоночника и хрящевые диски между позвонками, а также различные органы живота. Оборудование ЯМР особенно чувствительно при изображении мягких тканей, в то время как компьютерный аксиальный томограф хорошо отображает костные структуры.

Рис. 10.27. Магнитно-резонансное изображение области нижней части спины и близлежащих органов

Оборудование ЯМР представляет собой очень сложную систему, состоящую из многих взаимосвязанных подсистем. Для того чтобы диагностировать и исправлять проблемы такого комплексного оборудования, абсолютно необходима подготовка на предприятии-изготовителе и специальные меры предосторожности при работе с устройством из-за интенсивных магнитных полей. Любые магнитные носители, например, компьютерные диски, оставленные в кармане, выйдут из строя, если окажутся в одном помещении с установкой ЯМР. Инструменты могут быть вырваны из рук человека, даже находящегося на расстоянии нескольких метров от сканирующего туннеля. Вследствие специфической природы устройства и этих непривычных особенностей, к работе с любой частью системы ЯМР допускаются только специально подготовленные специалисты, будь то компьютерные проблемы или скрип подшипника на столе для пациента.

Работа с такой сложной системой, как установка ЯМР, может показаться непосильной задачей для начинающего специалиста. Однако, если система не выполняет каких-либо из основных функций, а их взаимоотношения понятны, становится очевидно, что в оборудовании ЯМР используются те же схемы, которые применяются для создания телевизионной аппаратуры. Для обслуживании прибора требуется умение рассуждать на основе доступных фактов.

Ультразвуковое диагностическое оборудование

Ультразвуковые технологии были разработаны во время Второй мировой войны для морских систем эхолокации. Сегодня те же принципы используются для получения информации состоянии тела человека без хирургического вмешательства. Звуковое и ультразвуковое оборудование основано на том факте, что звук имеет известную скорость. Когда звуковые волны встречают границу раздела материалов с разной плотностью, часть энергии отражается назад к источнику. Измеряя время, которое прошло между созданием исходного импульса и возвращением «эха», можно определить расстояние до объекта.

Частота ультразвуковых волн выше 20 кГц. Обычно их генерируют, заставляя пьезоэлектрический кристалл вибрировать на его собственной резонансной частоте с помощью приложения импульсного переменного высокого напряжения к его граням. По мере того как звуковой импульс идет от преобразователя, он ослабевает. Если он встречает изменение в плотности среды, только часть звука отражается и возвращающийся сигнал ослабевает еще больше. Следовательно, эхо от близлежащих объектов значительно сильнее отражения от объектов, расположенных далеко. Для компенсации этого эффекта схема приемника эха должна увеличивать свой коэффициент усиления вместе с отсчетом времени от начального звукового импульса. Выполняющая эту регулировку схема называется дифференциальной регулировкой усиления, и ее работа показана на рис. 10.28. После получения всего отраженного импульса генерируется следующий импульс, и процесс повторяется.

Рис. 10.28. Дифференциальная регулировка усиления ультразвуковых сигналов

Существует много способов отображения информации, полученной с помощью подобного эха. A-режим дает информацию о расстоянии между границами и величине эха, которая представляет собой количественную оценку разности плотности между двумя веществами на границе. Этот тин информации можно получить с помощью осциллографа, как показано на рис. 10.29.

Рис. 10.29. Пациент в цилиндре для сканирования установки ЯМР

Толстый хрящ возле виска дает сильное эхо. тонкая граница перегородки, разделяющей мозг, дает меньшее эхо, череп или хрящ на другой стороне головы — сильное эхо.

Этот режим предназначен для наблюдения движения тканей, например, сердца. Вместо того чтобы подавать эхо-сигнал на вертикальную ось, как это имеет место в осциллографе, он подается на ось z (интенсивность). Сильное эхо вызывает на экране яркую точку, слабое эхо дает более тусклую точку. Светочувствительная бумага, проходящая через электронно-лучевой дисплей с одной линией элементов со скоростью около 25 мм/с, даст распечатку эхосигнала в М-режиме. Обратите внимание на рис. 10.30-удары сердца заставляют аорту двигаться немного ближе к преобразователю и дальше от него.

Можно видеть, что клапан перемещается вперед и назад в основании аорты при каждом ударе сердца.

Рис. 10.30. Изображение сердечного клапана в М-режиме

Наиболее удивительная форма ультразвукового изображения — сканирование в В-режиме — выполняется с помощью перемещения преобразователя по дуге с повторяющимися импульсами и дает веерообразный разрез исследуемой ткани, образованный множеством векторов наблюдения, как показано на рис. 10.31.

Рис. 10.31. Работа секторного сканера в В-режиме

Каждое возвращающееся эхо представлено в виде точки, интенсивность которой индивидуальна для каждого текущего вектора сканирования. При одновременном показе всех векторов сканирования можно видеть границу ткани, как показано на рис. 10.31.

Реальный вид в М-режиме четырех камер сердца показан на рис. 10.32. Для получения изображения преобразователь помещается под грудной клеткой и направляется на сердце. Поэтому верхушка и левый желудочек находятся в верхней части экрана.

Рис. 10.32. Сканирование сердца в В-режиме

Одним из способов получения такого дугового изображения из ультразвуковых векторов является построение вращающегося преобразователя. Эти устройства имеют встроенный в конец преобразователя двигатель. Электрические импульсы возбуждения кристалла поступают от электронного блока через кольца коммутатора, которые позволяют кристаллу вращаться. При достижении заданного угла кристалл испускает быструю последовательность импульсов, позволяющую сформировать векторы звуковых волн и получить информацию об эхе. Преимущество этого метода заключается в использовании одного кристалла преобразователя и связанной с ним схемы приема и передачи. Основной недостаток заключается в том, что в преобразователе появляются движущиеся части, что делает его очень уязвимым к физическому повреждению, механическому износу и может вызвать шумы в сигнале.

Другим вариантом является ультразвуковой датчик для конвергентного сканирования снабженный множеством отдельных кристаллов, образующих прямую линию. Каждый кристалл имеет свою цепь передачи и приема. Управляя порядком включения кристаллов можно генерировать определенную волну, которая будет направлена но радиальной линии сектора. Этот сигнал принимается и усиливается каждым кристаллом, затем сигналы суммируются и дают один вектор сканирования. Преимущество этого датчика заключается в том, что вектор формируется без использования движущихся частей. Обычно преобразователи ультразвуковых датчиков для конвергентного сканирования меньше, чем преобразователи с вращающейся головкой.

Изготовить головку преобразователя с множеством мелких кристаллов достаточно сложно и очень дорого. Множество плат приемников и передатчиков увеличивает стоимость систем с ультразвуковыми датчиками конвергентного сканирования, но это может оказаться полезным при обслуживании таких устройств. Типичный секторный сканер показан на рис. 10.33. Ультразвуковой датчик для конвергентного сканирования находится слева от прибора, а на экране показано сохраненное изображение.

Рис. 10.33. Типичный секторный сканер для эхокардиографии

Все эти приборы предоставляют собой достаточно сложные цифровые преобразователи, которые превращают информацию звуковых векторов в видеоизображения, чтобы вывести на стандартный растровый монитор. Большинство этих систем оцифровывают аналоговый сигнал яркости для каждого вектора и выполняют различные функции цифровой обработки для улучшения окончательного изображения.

Вследствие природы схем ультразвукового датчика для конвергентного сканирования, печатные платы секций приема и передачи обычно устанавливаются в корпус, что затрудняет измерения. Для того, чтобы работать с такой печатной платой, необходима специальная плата-переходник, поставляемая изготовителем. Она обеспечивает механическую фиксацию и электропитание исследуемой платы вне корпуса. На практике очень трудно увидеть воздействие одной платы приема-передачи на качество изображения. Хорошее изображение можно получить, даже если удалить несколько плат, так как каждая из них дает не отдельный вектор изображения, а участвует в обеспечении точности и полноты каждого вектора в сканировании сектора.

Для проверки выхода платы приема-передачи необходимо с помощью осциллографа наблюдать каждый принимаемый сигнал до суммирования. Понимание функций базовой секции очень важно для локализации неисправности в таком сложном устройстве.

Если проблема заключается в плохом качестве изображения, специалист по биомедицинскому оборудованию должен определить, имеет ли место неисправность в самом оборудовании, или прибор неправильно используется. Ничем нельзя заменить опыт при определении правильности формирования изображения. Вес пациента, структура костей, положение датчика и т. д. влияют на качество изображения. Большинство специалистов очень хорошо знают изображение собственного сердца при правильной работе установки и при стандартном положении органов управления. Поместив датчик между ребер, специалист немедленно получает изображение. Это помогает ему попять, насколько хорошо работает прибор.

Значительное время при работе с этими устройствами тратится скорее на калибровку, чем на поиск неисправностей. Большинство обычных жалоб касаются именно качества изображения. Аналоговые эхосигналы переводятся в различные оттенки серого циста и сохраняются в преобразователе. Сигналы обрабатываются с использованием средних значений и интерполяции для придания плавности изображению и уменьшения воздействия шума. Даже если все схемы сбора и обработки данных работают отлично, изображение должно еще быть выведено на самописец или экран. Специалист должен регулярно калибровать видеосекцию для обеспечения должной яркости и контрастности. Генераторы тестовых сигналов часто встраиваются в систему для регулировки чистоты изображения и проверки способности устройства показывать все оттенки серого.

Измерения расстояний также необходимо проверять с помощью тестовой модели. Тестовая модель представляет собой блок из материала, который может проводить звуковые волны с такой же скоростью, как человеческое тело.

В блок встраиваются металлические объекты, которые будут давать отражение сигнала. Поскольку расстояние от датчика до каждого металлического объекта известно, можно настроить систему ультразвуковых измерений для соответствия этим величинам.

Лабораторные инструменты

В клинической лаборатории используется множество приборов для анализа крови и других жидкостей организма с помощью тестов. Большинство из них работают по сходным принципам и являются достаточно сложными автоматизированными приборами. Через определенные промежутки времени они автоматическим калибруют сами себя для обеспечения заданного стандарта, часто это происходит каждый час или два. Они автоматически перемещают образец в зону контакта с тем или иным типом датчика, что вызывает изменение напряжения, тока или сопротивления, пропорциональное измеряемой физиологической переменной. После стабилизации величины и получения результатов, образец смывается, и машина промывается для подготовки к обработке нового образца. Для объяснения основных принципов работы лабораторных инструментов мы остановимся на газовом анализаторе артериальной крови. Это типичный инструмент для больничных лабораторий, используемый при состояниях больного, близких к критическим.

Газовый анализатор артериальной крови

Нередко пациенты в очень тяжелом состоянии подключаются к системе жизнеобеспечения. Одним из наиболее важных приборов такого рода является вентилятор, который подает воздух в легкие пациента через регулярные интервалы. Врач, специалист по респираторным заболеваниям, определяет необходимый объем дыхания и частоту, с которой должен дышать пациент. Простого правила, которое определило бы необходимое количество воздуха для каждого пациента, не существует. Многие величины (вес, метаболизм, емкость легких, эффективность их работы и другие факторы) определяют, какое дыхание нужно пациенту; чтобы в его кровь поступало нужное количество кислорода и чтобы удалить двуокись углерода.

Лучший способ узнать, работают ли легкие правильно (и с вентилятором и без него), заключается в том, чтобы взять пробу крови из артерии и измерить содержание кислорода и двуокиси углерода. Другой важный параметр крови, на который действуют легкие — кислотно-щелочной баланс, который называется pH. Измеряя эти переменные, можно установить скорость вращения и, соответственно, объем подачи воздуха в легкие для обеспечения адекватного выполнения их функции. Поскольку результаты часто нужно получить очен», быстро для принятия критических решений по вопросу жизнеобеспечения, газовый анализатор крови часто располагается непосредственно в отделении жизнеобеспечения, очень близко к палатам пациентов.

Современный газовый анализатор артериальной крови представляет собой очень сложную автоматическую систему (рис. 10.34).

Рис. 10.34. Газовый анализатор артериальной крови

Для анализа пробы крови открывается дверка или крышка, и появляется небольшая металлическая трубка. Кровь из шприца вводится в трубку. Когда введено достаточное количество, прибор просит оператора прекратить подачу и закрыть дверцу. Насос втягивает пробу через внутреннюю систему трубок в зону, где он вступает в контакт с тремя электродами или датчиками. После стабилизации показаний датчиков данные записываются и насос с помощью соляного раствора начинает откачивать пробу в сливную емкость. После промывания через трубки прокачивается воздух для подготовки к обработке нового образца.

Один из датчиков называется рН-электродом. В растворе рН определяется с помощью измерения небольшого потенциала, который образуется между активным электродом и эталоном, находящимся в контакте с раствором. Активный электрод запечатан в стеклянную трубку, наполненную буферным раствором.

Кончик трубки изготовлен из pH-чувствительного стекла, которое вступает в контакт с образцом. На стеклянном кончике трубки образуется разность потенциалов ионов. Эталонный электрод всегда находится в контакте с раствором хлорида калия (КСI), который накачивается через трубки до тех пор, пока не вступит в контакт с образцом крови. Электроды преобразуют разность потенциалов между кровью и буферным раствором в пропорциональное рН-напряжение.

Электронная схема для измерения рН фактически представляет собой очень точный вольтметр с высоким входным сопротивлением.

Электрод рСО₂, изготавливается при помощи электрода pH, вставленного в пластиковую трубку, наполненную инертным буферным раствором. Стандартный электрод располагается в трубке таким образом, что вступает в контакт с буферным раствором, который отделен от крови очень тонкой полупроницаемой тефлоновой мембраной. Когда СО₂, из крови проходит через мембрану, он значительно изменяет ионный потенциал между буферными растворами с каждой стороны рН-чувствительного стекла. Измеренное напряжение пропорционально парциальному давлению СO₂ в крови.

Для изготовления электрода рO₂ два электрода из серебра помещаются в трубку с буферным раствором. Буферный раствор отделен от крови полу проницаемой мембраной. Когда молекулы кислорода проникают сквозь мембрану и вступают во взаимодействие с буферным раствором, проводимость буферного раствора меняется пропорционально парциальному давлению кислорода в крови. Блок электроники просто измеряет проводимость раствора, пропуская через него известный ток и измеряя разность потенциалов на электродах.

Описанные приборы кажутся пока очень простыми. Проблема заключается в том. что эти электроды нестабильны вследствие химической природы их работы. Величина напряжения, например, электрода рН будет со временем изменяться. хотя pH остается прежним. Следовательно, необходимо регулярно проводить калибровку электронных усилителей для обеспечения правильного соответствия выходных сигналов измеряемым величинам. Современные анализаторы выполняют калибровку автоматически стой частотой, которая необходима. Это выполняется с помощью двух калибровочных растворов, один с высоким значением рН, рСО₂, рО₂, а другой — с низким. Раствор с низкими значениями величин подается в измерительную камеру, и производятся расчеты. Затем результаты корректируются для соответствия известным показателям калибровочного раствора, а жидкость смывается. Процесс повторяется с калибровочным раствором с высокими значениями указанных параметров.

В большинстве случаев обслуживание газового анализатора выходит далеко за пределы электроники. Специалист должен разбираться в гидро- и газодинамике для решения проблем в трубопроводной секции. Важное значение имеют поток воздуха и контроль температуры, поскольку устройство с трубопроводами должно иметь температуру ровно 37° — такова температура человеческого тела. Химический состав калибровочных растворов оказывает решающее значение на точность прибора, при возникновении загрязнений специалист должен решить, как они возникли, как их исправить и предотвратить их повторение.

Для помощи в процессе поиска неисправностей многие газовые анализаторы крови имеют встроенные диагностические функции, которые позволяют выполнять различные операции: вручную работать с насосами и клапанами для их проверки, тестировать функции клавиатуры и дисплея, получать данные о напряжении и токе непосредственно с датчиков. Обычно вход в диагностический режим осуществляется с помощью переключателей, расположенных непосредственно на платах. Способ перехода в диагностический режим описан в руководстве по техническому обслуживанию. Трубопроводную секцию часто можно извлечь или выдвинуть из основного корпуса прибора, чтобы получить более удобный доступ и предотвратить протекание жидкостей на электронные компоненты.

В случае электронных неисправностей, проблема обычно располагается в одной из трех следующих секций:

1. Системы управления потоком жидкостей.

2. Контрольно-измерительной системы.

3. Системы управления на основе микрокомпьютера.

Искать неисправности в системе управления потоком жидкостей достаточно легко, поскольку можно увидеть неработающий клапан или насос и выявить причину неисправности. Микрокомпьютерную систему можно проанализировать как и любую другую систему на основе микрокомпьютера (см. главу 9). Самая большая проблема связана с обслуживанием контрольно-измерительной системы. Если контрольно-измерительные схемы неисправны, очень трудно найти необходимые прецизионные элементы. Кроме того, необходимы чрезвычайно точные инструменты для повторной калибровки, а их обычно нет в наличии. Печатные платы этих узлов часто можно послать изготовителю и заменить работающими, откалиброванными платами, которые были восстановлены.

Регулярное техническое обслуживание такого оборудования не только желательно, оно необходимо! Насосы, предназначенные для движения жидкости внутри установки, называются перистальтическими (рис. 10.35). Они проталкивают жидкость через резиновые трубки, сжимая трубку между роликом и корпусом насоса. Со временем резина рвется. Обычно перед разрывом трубок насоса изменяются его характеристики. Поэтому трубки надо регулярно заменять.

Рис. 10.35. Перистальтический насос

Многие резиновые части также изнашиваются, небольшие трубки и пластиковая арматура засоряются. Сгустки крови всегда представляют собой потенциальную проблему. Необходима регулярная тщательная очистка для промывания белковых остатков в трубопроводной системе. Систему регулирования температуры необходимо проверять и настраивать точно на уровень температуры тела. Электроды извлекаются и очищаются, мембраны и буферные растворы следует заменять. Для обеспечения надежной работы нужно также заменять воздушные фильтры, смазывать подвижные части, проверять расход жидкости и функционирование прибора.

Абсолютно необходимо, чтобы приборы, подобные этому, давали очень точные цифры. Для полной уверенности в том, что установка работает правильно, медперсонал должен каждый день выполнять программу- контроля качества. Для этого приобретаются небольшие стеклянные ампулы с жидкостью, которая имеет гарантированную величину рН, рСО₂, рО₂. Каждый день три таких ампулы пропускаются через установку, одна с высоким значением другая с типичным, третья с низким значением показателей. Для контроля состояния прибора следует вести ежедневные записи результатов проверок, чтобы негативные отклонения не сказались на пациентах.

Сервисное обслуживание терапевтического оборудования

Все приборы, которые мы рассматривали выше, предназначены для измерений и визуального контроля за состоянием человека, для того чтобы помочь врачу в диагностике заболевания. С годами было обнаружено, что электронные системы могут использоваться для управления процессами, которые фактически лечат физические недуги пациента. Их обычно называют терапевтическими процедурами. В эту общую категорию входят приборы для:

♦ лечения;

♦ эмуляции или замены органов;

♦ облегчения симптомов;

♦ врача (электрические или электронные инструменты).

Как мы знаем, лучшее — враг хорошего. Специалист по техническому обслуживанию биомедицинского оборудования должен быть уверен, что воздействие терапевтического прибора соответствует норме и не может произвольно меняться. Ограничение выходных величин приборов на безопасном уровне очень важно для терапевтических приборов. Многие из этих устройств снабжены средствами безопасности, которые для обеспечения их правильной работы необходимо тестировать.

Процесс проверки или калибровки этого оборудования обычно предполагает использование тестовой нагрузки, которая представляет собой электрическую или механическую модель части человеческого тела, подвергающуюся лечению. Анализатор безопасности, описанный выше, использовал тестовую нагрузку 1000 Ом. Большинство приборов имеют такие установки выходных сигналов, которые калибруются с учетом того, что прибор работает со стандартной тестовой нагрузкой.

Для некоторых терапевтических приборов, например аппаратов искусственной почки, вентиляторов, аппаратов сердце-легкие, инфузионных насосов неправильная работа может оказаться смертельной. Специалист должен проявить высочайшую осторожность и внимание ко всем деталям при обслуживании такого оборудования. Необходимо проводить полное тестирование операций, систем подачи тревоги и средств электрической безопасности, прежде чем возвращать прибор в эксплуатацию.

Диализ почек

Почки действуют, как установка по переработке отходов тела и удаляют токсины и другие ненужные вещества из крови. Если по каким-либо причинам почки перестают правильно работать, то через некоторое время пациент умрет вследствие уремического отравления. Для лечения были разработаны два основных типа терапии: гемодиализ и перитонеальный диализ.

Перитонеальной полостью называют похожую на мешок часть живота вокруг кишечника. Поскольку это основная область, в которой происходит переваривание пищи и передачи веществ в кровь, здесь очень высокая концентрация кровеносных сосудов и капилляров. Тонкие стенки капилляров полупроницаемы, что позволяет происходить процессу осмоса.

Рис. 10.36. Установка перитонеального диализа

Осмос — эго передача веществ из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией через полупроницаемую мембрану. Наполнение перитонеальной полости раствором с очень высоким содержанием необходимых организму электролитов и очень малым содержанием веществ, которые приводят к образованию токсинов и отходов, вызывает переход вредных веществ из крови в диализат, а необходимых элементов из диализата в кровь через стенки капилляров. После достаточного для адекватной фильтрации крови времени, диализат сливается из полости живота.

Эту операцию часто можно выполнить, когда пациент спит ночью в кровати дома. Поскольку она не требует времени в течение рабочего дня, этот метод называется хроническим перитонеальным диализом в амбулаторных условиях.

К животу пациента хирургическим способом прикреплен специальный катетер, который позволяет подавать диализат в перитонеальную полость, и выводить его. Аппарат, подобный показанному на рис. 10.36, представляет собой, в первую очередь, систему контроля расхода раствора и времени. Раствор обычно подогревается до температуры тела.

Процесс гемодиализа требует более сложного оборудования и должен выполняться медицинским персоналом (рис. 10.37).

Рис. 10.37. Установка для гемодиализа

Ключевым элементом гемодиализа является искусственная почка, или диализатор (рис. 10.38).

Рис. 10.38. Аппарат искусственной почки

Это цилиндр, наполненный тысячами крошечных полупроницаемых капиллярных трубок. Кровь течет из артерии пациента через капиллярные трубки, а диализат течет в цилиндре, окружающем трубки. Профильтрованная кровь возвращается в вену пациента, а отработанный диализат удаляется. Вся работа диализной установки заключается в пропускании крови через диализатор и контроле температуры, расхода, давления и концентрации раствора диализата.

Обслуживание диализной установки требует навыков водопроводчика и специалиста по электронике. Знание гидродинамики и гидравлики очень помогает в понимании работы подобной системы. Для измерения давления жидкостей, расхода и температуры необходимы специальные приборы. Система управления с замкнутым циклом подаст концентрированный диализат, который смешивается с необходимым количеством воды. Контроль расхода диализата и воды основан на проводимости смеси. Проводимость отражает концентрацию раствора диализата. Второй датчик проводимости используется в системе подачи тревожного сигнала для предотвращения подачи неправильного или в несоответствующих пропорциях смешанного раствора в диализатор.

Очень важна температура диализата. Слишком горячий нагреет кровь пациента в диализаторе и может вызвать цепную реакцию в крови с фатальным исходом. Для контроля температуры обычно используются отдельные датчики для управления температурой и для системы подачи тревожного сигнала, которая предупреждает о проблемах в системе управления.

Специальные оптические сенсоры осуществляют мониторинг диализата для выявления крови, которая может пройти через трещины в диализаторе. Другой датчик может использовать ультразвук для отслеживания линии движения крови, чтобы обнаружить пузырьки воздуха, которые могут быть опасными и даже фатальными. При возникновении какого-либо из этих аварийных состояний. линия подачи крови перекрывается и подается сигнал тревоги до того, как испорченная кровь попадет в организм.

При обслуживании установки для диализа необходимо определить, возникла ли проблема в движении жидкостей, или неисправность содержится в датчиках или электронике. По понятным причинам секция, где находятся жидкости, обычно, располагается в нижней части установки, а электронное управление — в верхней. В показанной на рис. 10.39 установке специальная диагностическая плата вставлена в разъем на материнской плате системы. Плата открывает на экране монитора информационное окно для специалиста и выполняет различные диагностические тесты системы.

Рис. 10.39. Установка для гемодиализа при техническом обслуживании

Помимо того, что нужно обеспечить безопасность пациента, специалист должен защитить и себя. Многие болезни, такие как гепатит и СПИД передаются при контакте с кровью. Перед тем, как открыть трубопроводные линии, установку необходимо стерилизовать раствором формальдегида и промыть. Если во время использования установки возникает утечка, специалист должен обязательно надеть резиновые перчатки и соблюдать крайнюю осторожность, так же как это делает медицинский персонал.

Инфузионные насосы

Возможно, наиболее широко используемым терапевтическим прибором является инфузионный насос или контроллер. Внутривенная терапия используется почти во всех областях здравоохранения для подачи жидкостей, питания и лекарств в организм пациента и предполагает введение полой гибкой трубки в вену, обычно в предплечье или кисть. Эта трубка соединяется отрезком трубки с капельницей и зажимом для регулировки расхода, подключенным к емкости с жидкостью для введения в кровеносную систему пациента.

Капельница, показанная на рис. 10.40, выполняет две основные функции. Во-первых, она обеспечивает наглядную индикацию расхода. Объем каждой дозы задается изготовителем, что позволяет вычислить общий расход. Установленный вращающийся зажим позволяет пережать сечение трубки и ограничить расход. Медсестра может посчитать количество капель за определенный период и отрегулировать зажим для установки предписанного расхода.

Рис. 10.40. Капельница для внутривенного введения

Расход является функцией нескольких переменных. Кровяное давление пациента, высота расположения емкости с раствором для внутривенного введения, установка зажима и другие ограничения — все это влияет на расход. Если какая-либо из этих величин изменяется, изменяется и расход. Вторая основная функция капельницы заключается в поддержании постоянного уровня гидростатического давления по мере уменьшения количества жидкости в емкости. В противном случае расход будет постепенно уменьшаться вместе с опустошением емкости.

В случае когда необходимо подавать жидкость с очень высокой точностью, используется внутривенный контроллер или насос, действующий как автоматический вращающийся зажим, регулирующий расход за счет изменения пропускной способности трубки или измерения проходящей жидкости. Здесь для создания давления также используется сила тяжести. Контролеру задается количество капель в минуту, а оптический датчик следит за правильной работой. Датчик устанавливается на капельнице, как показано на рис. 10.41.

Рис. 10.41. Инфракрасный детектор капель

С одной стороны установлен инфракрасный светодиод, который пропускает инфракрасное излучение через капельницу. С другой расположен набор инфракрасных детекторов (обычно, фототранзисторов). Когда капель нет, свет падает на детекторы и переводит их в состояние насыщения. Когда капля падает, она прерывает луч и изменяет проводимость фототранзистора, создавая на выходе небольшой импульс, преобразующийся в стандартный логический импульс. который подается на цифровые схемы управления.

Инфузионный насос предназначен для пациентов, находящихся в критическом состоянии. Большинство насосов используют тог или иной механизм с нагнетателем объемного типа, который помещается в соответствующую систему трубок для внутривенной инъекции. Пример показан на рис. 10.42.

Рис. 10.42. Съемный инфузионный насос с набором трубок

Электронный прибор осуществляет механическое управление насосом через регулируемый интервал времени и контролирует расход с помощью подсчета капель. В каждый рабочий цикл насос подает фиксированный объем жидкости, который доставляется пациенту независимо от его кровяного давления, высоты расположения емкости или других ограничений. Максимальное давление, которое при этом может быть создано, ограничено механизмом насоса. Если по каким-либо причинам насос не может подавать жидкость, устройство контроля капель регистрирует уменьшившийся расход и подает тревожный сигнал.

Обслуживание оборудования для внутривенной терапии также требует больше, чем просто знания электроники. Это фактически гидравлическая система с управлением электронным прибором. Прежде всего, специалист должен определить, является ли неисправность следствием поломки в гидравлике или в электронике. Это следует оценить, когда прибор еще подключен к пациенту в палате. Медсестер необходимо инструктировать, чтобы при возникновении какой-либо проблемы они вызывали специалиста. Прием насоса или контроллера с биркой «сломан» и т. п. является контрпродуктивным методом ремонта прибора или аппарата. На работу систем внутривенной терапии влияет множество переменных. Медсестер обучают диагностировать и исправлять большинство механических проблем, связанных с подачей жидкости таких как, например перекрутившаяся трубка или неправильно установленный катетер. Однако контроллеры внутривенной терапии иногда подают сигналы тревоги без достаточных причин. В такой ситуации медсестра оказывается в растерянности, а вызвав инженера говорит, что «этот хлам снова подал сигнал без причины». Обычно лучше всего представить как можно больше фактов, касающихся проблемы, а затем отнести насос в мастерскую, даже если причина очевидна (например, подача сигнала о малом заряде батареи насоса, который не включен в сеть). Позже специалист может объяснить то, что он обнаружил, и научить медперсонал основам сервисного обслуживания.

Когда прибор доставлен в мастерскую, можно провести тщательное тестирование для идентификации неисправности и верификации выполнения операций. Типичное сервисное руководство обычно перечисляет признаки и возможные причины или предоставляет диаграмму поиска неисправностей, подобную описанным в предыдущих главах. Диаграммы поиска неисправностей очень помогают, особенно если специалист еще не очень хорошо знаком с системой. В целом, диаграмма — не панацея от всех неприятностей. Она используется для систематического решения проблем. Необходимо также и глубокое понимание работы схемы. Обычно это достигается изучением схем и описаний принципов работы в технической документации.

Прежде, чем отремонтированное устройство будет вновь использоваться, его необходимо протестировать на соответствие его характеристик. Обычный контроллер должен регулировать расход с точностью 2 % от заданной величины. Для проверки этого обычно используется градуированный цилиндр, который измеряет поданное количество нормального соляного раствора за фиксированный период времени (обычно от 1 до 2 ч). Специалист должен также понимать, что связь между числом капель и объемом зависит от свойств жидкости. Все тесты тревожных сигналов и безопасности выполняются в соответствии с описанными в сервисном руководстве процедурами.

Дефибрилляторы

Терапевтический прибор, который приобрел широкую известность после демонстрации телевизионных сериалов о скорой помощи и больницах, это кардиодефибриллятор. Естественный ритм сердца может по целому ряду причин быть нарушен. Фибрилляция — это состояние, при котором клетки сердца больше не сжимаются синхронно, а делают это, скорее, случайным образом: нет, как таковой, сокращающейся мышцы, и, следовательно, сердце не перекачивает кровь. Несчастный умирает, если в течение нескольких минут ситуация не будет исправлена.

Для дефибрилляции сердца через сердечную мышцу пропускается сильный импульс тока. Это заставляет клетки деполяризоваться (сократиться) одновременно. Когда они снова поляризуются (расслабляются) и возвращаются к нормальному состоянию, нервная система сердца вновь получает контроль и устанавливает нормальный синусный ритм.

Два электрода дефибриллятора помещаются на грудь пациента: один — на грудину, а другой — на боковую сторону груди возле верхушки легкого. Импульс в несколько тысяч вольт вызывает ток в несколько ампер через грудную полость. Хотя кажется, что внутри груди должна быть рассеяна огромная мощность, она существует всего несколько миллисекунд, что соответствует энергии около 200–400 Дж. Для дефибрилляции самому сердцу требуется около 50–75 Дж. Но тело является проводником, поэтому не вся энергия, поступающая в грудь, доставляется к сердцу.

При обслуживании дефибриллятора специалист должен соблюдать осторожность, чтобы случайно не попасть под воздействие прибора самому. К несчастью, дефибриллятор работает в обе стороны. Импульс, который может вернуть синхронизацию при фибрилляции сердца, может также перевести нормально работающее сердце в это состояние. В большинстве дефибрилляторов используются крупные конденсаторы (около 15 мкФ) с очень высоким напряжением, аналогичные показанному на рис. 10.43.

Рис. 10.43. Типичный размер конденсатора дефибриллятора

Когда корпус открыт, всегда есть опасность вступить в контакт с этим зарядом. Прежде чем начать работать со схемой, следует тщательно разрядить конденсатор, соединив его выводы мощным резистором 500–100 Ом. Необходимо соблюдать обычные требования техники безопасности при работе с высоким напряжением. Делайте измерения в цепях только одной рукой, держа другую руку за спиной. Убедитесь, что никакая другая часть вашего тела не находится в кон такте с землей или корпусом прибора. Не носите проводящую бижутерию. Всегда имейте при себе средства защиты глаз. При использовании пробника следите, чтобы ваша рука не касалась прибора.

Дефибрилляторы должны быть очень надежны. Если устройство не сработает во время попытки оживить пациента, часто может не хватить времени, чтобы найти другой. Поэтому тестирование дефибрилляторов должно проводиться регулярно. Нельзя запускать дефибриллятор без нагрузки, в качестве использует для ежедневных тестов простые приспособления. Более сложные приборы используются специалистами для анализа выходного сигнала дефибриллятора. Эти тестеры представляют собой делитель напряжения из набора мощных резисторов, который по отношению к выводам дефибриллятора представляет собой нагрузку 50 Ом, как показано на рис. 10.44.

Рис. 10.44. Измерение формы сигналов и энергии дефибриллятора

Выход делителя напряжения предназначен для вывода форм сигнала на экран осциллографа. Схема формирования прямоугольных импульсов и интегрирования формирует выходной сигнал, который пропорционален поданной энергии. Она осуществляет это, придав сигналу прямоугольную форму и затем измерив площадь области под сигналом (интегрирование). Полученная величина представляется в джоулях или Вт/с.

Для того чтобы можно было воспроизвести импульс дефибриллятора на экране, необходим осциллограф с памятью, установленный в режим ждущей развертки. Источник запуска и уровень регулируются методом проб и ошибок. Наблюдение формы сигнала важно, поскольку оно может выявить неисправности, которые не видны другим способом. Например, дефибрилляция обычно продолжает работать, даже когда кабель внутри оболочки содержит обрыв, хотя внешне выглядит исправным. Энергия просто проскакивает через образовавшийся искровой разрядник в пациента. Для обнаружения обрывов в цепи разряда или неисправных компонентов, связанных с формой сигнала, используются показанные на рис. 10.45 формы сигналов.

Калибровка дефибриллятора обычно включает тестирование уровней выхода и проверку всех блокировочных устройств для предотвращения случайного разряда. Система заряда тестируется и на время заряда.

Рис. 10.45. Тестирование выхода дефибриллятора

Электрохирургические приборы используются в течение десятилетий как первичные инструменты в операционной и могут использоваться в качестве скальпеля для разрезания тканей при соединении концов вскрытых кровеносных сосудов. Приборы электрохирургии представляют собой, в основном, высокочастотные генераторы высокой мощности, энергия которых направляется через конец электронного скальпеля и проходит через тело пациента к обратному электроду. Ткань разрезается за счет нагревающего действия поля высокой частоты и плотности, аналогично микроволновой печи. Поскольку мышцы и нервы пациента не реагируют на высокочастотный ток, нет опасности электрического удара. Если высокочастотная энергия имеет возможность выйти из тела через другую цепь, помимо обратного электрода, возникнет опасность ожога. Поэтому в большинстве современных систем используется схема, где цепь, в которую включен пациент, изолирована от земли, при этом ведется постоянный мониторинг непрерывности цепи для гарантии правильного расположения пластины электрода.

Прежде, чем приступить непосредственно к обслуживанию схемы, проверьте наличие очевидных неисправностей, типичных для данных устройств. Например, часто ржавеют, изнашиваются или выходят из строя небольшие сменные детали «петельки», «режущие кромки». Даже при наличии специальных средств для очистки эти детали приходится часто заменять. Обычная жалоба хирурга заключается в том, что ему приходится устанавливать регулятор мощности на более высокое значение, чем обычно. Это может быть показателем того, что хирургический инструмент или весь активный электрод и кабель необходимо заменить.

Большинство современных устройств имеют съемные резцы, которые заменяются для каждой процедуры, но кабели и рукоятки активных электродов обычно стерилизуются и используются повторно. Очень часто медицинский персонал использует кабели и разъемы слишком долго или злоупотребляет ими. К сожалению, нередко специалист по обслуживанию получает электрохирургический инструмент без кабеля, который использовался во время процедуры, с прикрепленной запиской «сломался». Медперсоналу нужно постоянно напоминать о том. что специалиста нужно вызывать при первых признаках неисправности, чтобы можно было провести тщательную диагностику.

Для сервисного обслуживания электрохирургического прибора к его выходу должна быть подключена тестовая нагрузка. В этом качестве часто используется лампа накаливания, как показано на рис. 10.46.

Рис. 10.46. Проверка выхода электрохирургического прибора

При проведении измерений внутри электрохирургического прибора с включенным выходом необходима крайняя осторожность. Измерительное оборудование — вольтметры, осциллографы и др. — можно подключать только при выключенном выходе устройств. Руки специалиста никогда не должны находиться внутри устройства при включенном питании. В противном случае та же самая высокочастотная энергия, которая предназначена для цепи пациента, может пройти через специалиста.

Калибровка и проверка характеристик обычно выполняются с помощью измерителя высокочастотной выходной мощности, тестовой нагрузки и осциллографа. Измеритель выходной высокочастотной мощности и тестовая нагрузка обычно поставляются вместе с разъемами для выхода осциллографа. Тестовая нагрузка обычно обладает сопротивлением 500 Ом для моделирования импеданса тела человека на высоких частотах. Выходной сигнал имеет форму непрерывной волны для режима резки, и циклической последовательности импульсов переменных частот для режима коагуляции, как показано на рис. 10.47.

Рис. 10.47. Формы сигналов при резании и коагуляции

Отделение физиотерапии обычно занимается реабилитацией пациентов, которые выздоравливают после травмы или болезни. Ультразвуковые приборы и аппараты для диатермии — основные на этом этапе лечения. Терапевтические ультразвуковые приборы предназначены для создания мощной вибрации (около 1 МГц), и, прежде всего, им находят применение для глубокого прогревания воспаленных участков травмированных мышц. Примером является прибор, показанный на рис. 10.48.

Рис. 10.48. Терапевтический ультразвуковой прибор

Импульсы высокочастотной энергии подаются с частотой 40-140 раз в минуту с коэффициентом заполнения (отношение длительности импульса к периоду следования х100 %) от 10 до 35 процентов.

Схема в основном состоит из генератора и высокочастотного усилителя мощности с регулируемым выходом. Блок-схема и описание из технического руководства прибора показаны на рис. 10.49 и в табл. 10.1.

Рис. 10.49. Блок-схема терапевтического ультразвукового прибора

Таблица 10.2. Терапевтический ультразвуковой прибор

Подобные блок-схемы позволяют легко изолировать неисправность до уровня конкретного блока. Руководства по поиску неисправностей, подобные приведенному в табл. 10.2, могут использоваться для идентификации мелких поломок.

Таблица 10.3. Руководство по поиску неисправностей для ультразвукового прибора

Преобразователь состоит из пьезоэлектрического кристалла, который превращает электрическую энергию от генератора высокой частоты в акустическую (механические колебания). Эта энергия может проникать внутрь мышц и структур тела. Важно, чтобы устройство работало правильно, в противном случае оно может нанести пациенту серьезные повреждения.

Калибровка заключается в настройке коэффициента усиления по высокой частоте таким образом, чтобы выходная мощность устанавливалась с погрешностью не хуже 20 % от заданного значения, как указано в табл. 10.3.

Таблица 10.4. Процедура калибровки ультразвукового прибора

Для выполнения этой процедуры необходим измеритель ультразвуковой мощности, большинство из которых представляют собой механические устройства, измеряющие отклонение мишени или оценивающие силу, созданную выходным преобразователем. Можно выполнить быструю проверку уровня выходного сигнала, намотав ленту вокруг головки преобразователя, тем самым создав небольшой резервуар. При включенном питании такая головка должна распылить помещенное в резервуар небольшое количество воды. Это выглядит так, как будто из головки выходит пар, а в центре образуется гейзер.

Если в настроенной схеме заменяется усилитель мощности высокой частоты или преобразователь, необходимо заново провести настройку схемы. Для показанного устройства эго означает настройку цифрового селектора частоты немного большего уровня, чем максимальный порог выходной мощности. Процедура настройки из руководства по техническом)’ обслуживанию прибора фирмы Рич-Мар приведена в табл. 10.4.

Таблица 10.5. Процедура настройки для согласования выхода и преобразователя

Аппарат для диатермии

Аппарат для диатермии также используется для глубокого прогревания тканей, но он излучает волны частотой около 27 МГц. По сути, прибор представляет собой генератор высокой частоты и усилитель. Хотя он похож на ультразвуковой прибор, аппарат для диатермии обеспечивает более глубокое проникновение. Кроме того, поскольку на выходе аппарат выдает высокочастотные, а не электромеханические (акустические) колебания, его нельзя использовать для пациентов с имплантантами. Имплантант или протез будут поглощать высокочастотную энергию, что может вызвать нежелательный нагрев и возможную неисправность протеза или ожог. Аппарат диатермии подает энергию на антенны в форме дисков, которые помещаются возле пациента. Можно быстро проверить выходной сигнал аппарата, поместив около выходных пластин неподключенную к источнику питания флуоресцентную трубку и наблюдать свечение без всяких проводов.

Профилактическое техническое обслуживание обоих типов приборов предполагает проверки электрической безопасности и тестирование уровней выходных сигналов для гарантии того, что пациент не получит ожога. Калибровка и настройка должны выполняться регулярно.

Для сферы биомедицинской электроники регулярное профилактическое техническое обслуживание обязательно. Если возникает неисправность промышленного оборудования, это обычно означает потерю доходов. При выходе из строя биомедицинского оборудования может произойти смерть человека. Многое невозможно полностью предотвратить, как, например случайную протечку жидкости, обильное кровотечение, коррозию под действием соляного раствора, механические проблемы. Важно убедить медицинский персонал сообщать об оборудовании, с которым что-то произошло, даже если оно, на первый взгляд, вполне работоспособно. Негативные эффекты могут не проявляться в течение месяцев, но вызовут поломку в критический момент.

Регулярная проверка электрической безопасности позволяет визуально оценить каждую часть оборудования. Большинство составляющих оборудования в больницах также включаются в график регулярного профилактического технического обслуживания. Вырабатываются стандартные процедуры для каждого типа приборов, которые регламентируют интервалы между проверками технического состояния, детали для замены, необходимые калибровки и процедуры тестирования. Каждый прибор снабжен идентификационным номером для технического обслуживания. Большинство инженерных программ в клиниках в настоящее время используют для ведения учета технического обслуживания компьютер. Имеется программное обеспечение, которое автоматически формирует порядок проведения работ для технического обслуживания прибора. Для большинства диагностического оборудования калибровка требует моделирования входного сигнала, который обычно поступает от пациента. Для этого часто бывает необходимо приобрести специальное оборудование. Аналогично, большая часть терапевтического оборудования потребует моделирования нагрузки на выходе и каких-либо средств для измерения выходных сигналов. Специальные инструменты часто очень дорого стоят, но могут оправдать затраты при поддержании работоспособности нескольких единиц оборудования.

_{Выберите верный ответ:}

_{1. Какое оборудование из перечисленного ниже может считаться терапевтическим, в отличие от диагностического:}

_{а) электрокардиограф;}

_{б) кардиостимулятор;}

_{в) компьютерный томограф;}

_{г) установка ЯМР.}

_{2. Повреждения от электрического удара определяются:}

_{а) напряжением источника питания;}

_{б) током, который может дать источник питания;}

_{в) сопротивлением тела;}

_{г) всем указанным выше.}

_{3. Тело наиболее чувствительно к электрическим токам при постоянном токе:}

_{а) 60 Гц;}

_{б) 1 кГц;}

_{в) 1 МГц.}

_{4. Сопротивление заземления кабеля питания для приборов ухода за пациентом должно составлять:}

_{а) более 1 Ом;}

_{б) менее 100 Ом;}

_{в) более 150 Ом;}

_{г) менее 0,15 Ом.}

_{5. Настройка прибора для подтверждения и обеспечения точности результатов называется:}

_{а) калибровка;}

_{б) проверка безопасности;}

_{в) поиск неисправностей;}

_{г) диагностика.}

_{6. Монитор ЭКГ использует:}

_{а) стандартный усилитель низкой частоты;}

_{б) усилитель высокой частоты;}

_{в) дифференциальный усилитель;}

_{г) ничего из перечисленного.}

_{7. Коэффициент ослабления синфазных сигналов ЭКГ должен быть:}

_{а) более 100 000;}

_{б) менее 1;}

_{в) больше 1000;}

_{г) больше 100.}

_{8. Установка ЭКГ имеет шум 60 Гц на двух графиках, для вывода I и для вывода III, но вывод II нормальный. Проблема, вероятно, заключается в:}

_{а) электрод правой руки;}

_{б) электрод левой руки;}

_{в) электрод левой ноги;}

_{г) дифференциальный усилитель.}

_{9. Цифровые самописцы:}

_{а) могут печатать только цифры;}

_{б) используют нагретое перо и гальванометр;}

_{в) печатают с использованием линейного массива нагревательных элементов;}

_{г) используют чернила для печати на бумаге.}

_{10. Эффективность рентгеновской трубки:}

_{а) менее 1 процента;}

_{б) обычно 50 %;}

_{в) более 99 %;}

_{г) ничего из перечисленного.}

_{11. Цель использования вращающегося анода в рентгеновской трубке заключается в том, чтобы:}

_{а) рентгеновские лучи двигались быстрее;}

_{б) рентгеновские лучи лучше проникали;}

_{в) для рассеяния образующегося тепла;}

_{г) для всего указанного выше.}

_{12. Высокое напряжение на рентгеновской трубке измеряется с помощью:}

_{а) стандартного цифрового вольтметра, установленного на самый большой предел измерения;}

_{б) высоковольтного делителя и цифрового вольтметра или осциллографа;}

_{в) высоковольтного пробника для тестирования анодного напряжения телевизора;}

_{г) любым из указанных способов.}

_{13. Рентгеновская установка, которая дает изображение человеческого тела в разрезе, называется:}

_{а) компьютерный томограф;}

_{б) установка флуороскопии;}

_{в) делитель напряжения;}

_{г) коронарный ангиограф.}

_{14. Ультразвуковые аппараты вырабатывают звуковую энергию с помощью:}

_{а) низкочастотного громкоговорителя;}

_{б) среднечастотного громкоговорителя;}

_{в) динамика для верхних звуковых частот;}

_{г) пьезоэлектрического кристалла.}

_{15. Ультразвуковой сканер для конвергентного сканирования:}

_{а) использует 12 и более пьезоэлектрических кристаллов;}

_{б) складывает все сигналы от всех кристаллов;}

_{в) формирует векторы сканирования, регулируя порядок возбуждения кристаллов;}

_{г) все перечисленное.}

_{16. Измерения глубины ультразвуковым аппаратом калибруются:}

_{а) используя тестовую модель;}

_{б) используя тестовую сетку;}

_{в) используя измерительную ленту;}

_{г) используя все, указанное выше.}

_{17. Система ЯМР:}

_{а) использует сверхпроводящие элементы для создания магнитного поля;}

_{б) использует магнетизм и импульсы высокой частоты для формирования изображения тела;}

_{в) может формировать изображение в разрезе с деталями мягких тканей;}

_{г) делает все, указанное выше.}

_{18. Вентилятор используется для:}

_{а) охлаждения пациента;}

_{б) подачи свежего воздуха в палату пациента;}

_{в) измерения содержания кислорода в крови;}

_{г) подачи воздуха в легкие пациента.}

_{19. Газовый анализатор крови измеряет:}

_{а) частичное давление кислорода в крови;}

_{б) частичное давление двуокиси углерода в крови;}

_{в) pH крови;}

_{г) все перечисленное.}

_{20. Калибровка газового анализатора крови выполняется:}

_{а) каждые 2 ч автоматически;}

_{б) каждую неделю врачом, специалистом по респираторным заболеваниям;}

_{в) ежегодно специалистом по техническому обслуживанию;}

_{г) только на предприятии-изготовителе.}

_{21. Периодические процедуры, которые выполняет специалист по поиску неисправностей биомедицинского оборудования при обслуживании газового анализатора артериальной крови, это:}

_{а) обязательная очистка всех трубопроводов;}

_{б) замена изношенных трубок насосов, резиновых частей и фильтров;}

_{в) функциональное тестирование с использованием диагностического}

_{программного обеспечения;}

_{г) все перечисленное.}

_{22. Проверка терапевтического оборудования не включает:}

_{а) калибровочный образец;}

_{б) тестовую нагрузку, имитирующую пациента;}

_{в) средства измерения выходного сигнала;}

_{г) проверку работы блокировочных устройств безопасности.}

_{23. Перитонический диализ:}

_{а) требует наблюдения со стороны медицинского персонала;}

_{б) предполагает подачу крови в пациента;}

_{в) может выполняться дома, ночью;}

_{г) гораздо сложнее, чем гемодиализ.}

_{24. Разделение тревожного сигнала температуры и проводимости необходимо в дополнение к управляющим сигналам в системе диализа, поскольку:}

_{а) один контролирует кровь, а другой диализат;}

_{б) используется система управления с открытым циклом (нет датчиков);}

_{в) неисправность системы управления приведет к смерти пациента;}

_{г) все перечисленное.}

_{25. Поиск неисправностей в установке для диализа требует понимания:}

_{а) гидродинамики;}

_{б) датчиков и системы управления;}

_{в) электроники;}

_{г) всего перечисленного.}

_{26. В качестве меры предосторожности специалист, обслуживающий дефибриллятор, должен:}

_{а) использовать резиновые перчатки для защиты от инфекции;}

_{б) носить обувь с резиновыми подошвами;}

_{в) разрядить накопительный конденсатор;}

_{г) просто отключить прибор от сети.}

_{27. Тестирование дефибриллятора включает:}

_{а) наблюдение форм выходного сигнала;}

_{б) измерение подачи энергии при нагрузке 50 Ом;}

_{в) проверку всех операций;}

_{г) все перечисленное;}

_{28. Хорошей тестовой нагрузкой для прибора электрохирургии является}

_{а) пациент;}

_{б) лампа накаливания;}

_{в) кусок мяса;}

_{г) ничего из перечисленного.}

_{29. Прибор электрохирургии представляет собой}

_{а) высокочастотный генератор мощности;}

_{б) одноимпульсный генератор высокой мощности;}

_{в) генератор 60 Гц;}

_{г) ничего из перечисленного.}

_{30. Правильно работающий прибор электрохирургии в режиме резания имеет выходной сигнал:}

_{а) импульс 2000 В, 20 А, 5 мс;}

_{б) импульсы высокой частоты с переменным рабочим циклом;}

_{в) непрерывные волновые сигналы;}

_{г) сигналы с крутыми фронтами.}