1

Elektroniczna aparatura medyczna

cz. 6

2

Charakterystyka zakłóceń w aparaturze elektromedycznej

Zakłócenia elektromagnetyczne stanowią poważne utrudnienie przy obserwacji sygnałów biologicznych.

Amplitudy sygnałów zakłócających mają wartości od ułamków mikrowoltów do dziesiątków miliwoltów, a często znacznie więcej.

Częstotliwość jest stosunkowo niska i obejmuje pasmo od ułamków herców do kilkunastu kHz.

Poziom sygnałów biologicznych jest porównywalny z poziomem zakłóceń, często też zakłócenia znacznie przewyższają sygnały użyteczne.

3

Nałożenie się sygnału zakłócającego o amplitudzie porównywalnej, a nawet niższej od amplitudy sygnału użytecznego na ten sygnał powoduje znaczne jego zniekształcenia określone mianem artefaktów.

Powoduje to zmianę kształtu i wartości parametrów badanego sygnału biologicznego.

Artefakty towarzyszące działającej aparaturze elektromedycznej mogą być:

− fizjologiczne

− techniczne.

4

Artefaktem fizjologicznym jest każdy potencjał, który jest wytworzony przez inny niż aktualnie badany układ biologiczny.

Np., podczas rejestracji potencjałów czynnościowych serca zakłócający wpływ mają potencjały generowane przez mięśnie oddechowe lub mięśnie kończyn.

Natomiast przy rejestracji potencjałów czynnościowych mózgu zakłócający wpływ mają mięśnie twarzy (podczas ruchu gałek ocznych, podczas duchów mimicznych).

Zakłócenia techniczne można ogólnie podzielić na dwie grupy: zewnętrzne i wewnętrzne w stosunku do aparatury, na którą mogą wpływać.

5

Zakłócenia zewnętrzne:

− z otaczającej przestrzeni, tj. od pracujących w otoczeniu urządzeń elektrycznych, powodując:

• indukowanie się prądów zakłócających w przewodach doprowadzających sygnały użyteczne,

• powstanie napięć zakłócających w miejscu połączenia elektroda-skóra,

• powstanie zakłóceń na pacjencie, który jest potencjalną anteną odbiorczą zakłóceń z otoczenia (poprzez

pojemności rozproszone), szczególnie od wszelkich urządzeń zasilanych z linii energetycznej,

− bezpośrednio z linii energetycznych, po których przenoszą się zakłócenia od innych urządzeń tej samej sieci.

6

Pojemność rozproszenia może być znaczna (rzędu kilku do kilkuset pF). Powstałe zakłócenia są często porównywalne z użytecznymi biopotencjałami (które dla EKG i EMG są rzędu kilku mV, zaś dla EEG – kilkuset μV), a nawet mogą znacznie je przewyższać.

Przykład źródeł zakłóceń oraz ich przyczyny:

− nakładanie się prądu sieciowego na krzywą EKG,

− pracujące w pobliżu urządzenia elektryczne,

− niewłaściwie uziemiony elektryczny sprzęt,

− niedostateczne przygotowanie skóry, powodujące zwiększenie rezystancji elektroda-skóra,

− sucha lub zanieczyszczona elektroda, powodujące zwiększenie rezystancji elektroda-skóra,

− dotykanie ściany lub metalowych przedmiotów przez pacjenta w czasie jego pomiarów.

7

Najbardziej typowy sygnał zakłócający o częstotliwości 50 Hz. Amplituda jego znacznie przewyższa amplitudę sygnałów biologicznych uniemożliwiając ich obserwację. Dlatego jednym z podstawowych bloków każdego urządzenia służącego do badania sygnałów biologicznych jest filtr wycinający 50 Hz.

Oprócz zakłóceń sieciowych, których źródłem jest linia zasilająca 230 V/50 Hz mogą wystąpić zakłócenia o innych częstotliwościach, generowane przez różnego typu urządzenia elektryczne pracujące w pobliżu źródeł sygnałów biologicznych. Istotna jest zatem znajomość emisji zakłóceń różnych urządzeń pracujących w otoczeniu pacjenta.

Zakłócenia wewnętrzne występują bezpośrednio w danym urządzeniu elektromedycznym i mogą być spowodowane:

− szumami użytych elementów elektronicznych,

− zakłócającym wpływem współpracujących bloków urządzenia.

8

Charakterystyki filtrów stosowanych w elektrokardiografach:

a) dolnoprzepustowy, b) górnoprzepustowy, c) pasmowo przepustowy, d) wycinający.

Pasmo przenoszenia definiuje odpowiednia częstotliwość dolna fd lub górna fg, przy których następuje spadek wzmocnienia o 3 dB, co odpowiada zmniejszeniu się

amplitudy sygnału wyjściowego filtra do wartości 0,707 amplitudy sygnału wejściowego

9

Elektrokardiograf zawiera zwykle filtry:

− filtr wycinający 50 Hz, eliminujący zakłócenia sieciowe,

− filtr pasmowy dolnoprzepustowy, tłumiący zakłócenia mięśniowe (pochodzące od ruchu kończyn) o częstotliwości dolnej około 35 Hz o nachyleniu charakterystyki 12 dB/okt,

– czasem pasmowy górnoprzepustowy, którego zadaniem jest tłumienie niskoczęstotliwościowych zakłóceń pochodzących od ruchów oddechowych klatki piersiowej (oddychanie odbywa się z częstotliwością kilkunastu cykli na minutę).

10

Pacjent, znajduje się zawsze w sąsiedztwie sieciowych kabli zasilających, stanowiąc pojemność rozproszoną (około 300 pF, przy założeniu, że płynący przez pacjenta prąd pasożytniczy nie przekracza wartości 20 μA).

Na niej odkładają się zakłócenia sieciowe 50 Hz, których wartość leży w zakresie od pojedynczych mV (gdy pacjent dotyka obiektów uziemionych) nawet do 20V (gdy pacjent chwyci izolowany kabel sieciowy).

Typową wartością jest 1 V. Zakłócenie to jest porównywalne z sygnałem użytecznym, a nawet wielokrotnie go przekracza.

11

Układ elektroniczny zaprojektowany jest do rejestracji sygnałów o amplitudach rzędu 10 mV. Typowy impuls defibrylatora charakteryzuje się napięciem 17 kV. Zabezpieczenie ma na celu uchronić urządzenie przed zniszczeniem przez impuls:

• dołączenie równolegle do wejścia diod półprzewodnikowych połączonych równolegle przeciwsobnie, których zadaniem jest niedopuszczenie do wzrostu potencjału różnicowego ponad 0.7 V (typowo dla krzemu)

• szeregowo z wejściem włączone są rezystory o wartościach na tyle dużych, że spodziewany impuls prądowy nie uszkodzi diod zabezpieczających, ale na tyle małych, że mogą zostać pominięte z punktu widzenia impedancji wejściowej.

12

13

Określenie odporności zakłóceniowej wzmacniacza EKG:

Wzmacniacz elektrokardiografu jest wzmacniaczem różnicowym. Na jego wejście różnicowe doprowadzony zostaje odpowiedni sygnał z ciała człowieka.

Zakłócenia sieciowe (zwane zakłóceniami synfazowymi), naturalnie występujące w otoczeniu, mogą znacznie zmienić obraz rejestrowanego potencjału czynnościowego serca.

Jeśli na dwa wejścia wzmacniacza są doprowadzane odpowiednio sygnały U1, U2 to na jego wyjściu pojawi się napięcie UO:

UC – napięcie sygnału współbieżnego

14

Określenie odporności zakłóceniowej wzmacniacza EKG:

gdzie KUr – współczynnik wzmocnienia sygnału różnicowego (istotny w z punktu widzenia wzmocnienia samego sygnału użytecznego), KUw – współczynnik wzmocnienia sygnału współbieżnego (wspólnego), który powinien mieć wartość znacznie mniejszą od 1.

15

Schemat blokowy elektrokardiografu:

Elektrokardiograf zbudowany jest z trzech podstawowych bloków: zespołu elektrod, wzmacniacza pomiarowego i układu wizualizacji

rezultatów.

16

Znak CE:

Znak CE (conformity marking) oznacza spełnienie przez wytwórcę wyrobu wszystkich obowiązków wynikających z dyrektyw Wspólnoty, które odnoszą się do umieszczania tego oznaczenia na wyrobie.

Oznaczenie to, w przeciwieństwie do znaków i certyfikatów ISO 9000 może być (a nawet powinno) umieszczone na wyrobie (lub opakowaniu).

Dyrektywy harmonizacji technicznej, czyli nowego podejścia są publikowane w takich dziedzinach, jak: gwarancja niezbędnego poziomu bezpieczeństwa, ochrony zdrowia i środowiska w odniesieniu do ogólnych grup wyrobów (np. maszyny, zabawki, urządzenia medyczne).

17

Znak CE:

Dyrektywy nowego podejścia różnią się od starych tym, że zawierają wymagania techniczne, a nie tylko wymagania podstawowe. Stosowanie dyrektyw nowego podejścia (w odróżnieniu od starego podejścia) staje się obowiązkowe w krajach UE, które chcą sprzedawać swoje wyroby na rynku Unii.

Za znakowanie wyrobów odpowiada producent niezależnie od tego czy ma prawo sam umieścić znak czy też w oparciu o zezwolenie uzyskane z jednostki nadzorującej.

Obowiązuje ustanowiona przepisami Unii Europejskiej procedura badania zgodności wyrobu z dyrektywami, która wprowadza kilka procedur postępowania.

18

Znak CE:

Znakowanie CE oznacza, że wyrób został poddany wszystkim obowiązującym procedurom oceny zgodności. Takich procedur jest 8 i są uszeregowane według wzrastającego ryzyka, które może spowodować wyrób. Procedury te są sklasyfikowane w następujące grupy:

A - wewnętrzna kontrola jakości (wyrób spełnia wymagania bezpieczeństwa, wg oświadczenia producenta, który zamieszcza na każdym wyrobie znak CE i podpisuje stosowne oświadczenie o zgodności z wymaganiami dyrektywy technicznej);

B - badanie prototypu, atest o zatwierdzeniu typu (producent przedkłada powołanemu organowi, tzw. jednostce notyfikowanej, certyfikującej, założenia techniczne i wzór wyrobu, sprawdzenie zgodności założeń z dyrektywami technicznymi, badanie typu CE);

19

Znak CE:

C - deklaracja zgodności z dopuszczonym typem (producent deklaruje zgodność z zatwierdzonym typem i stawia znak CE, jednostka notyfikacyjna prowadzi kontrole wyrywkowe);

D - zapewnienie jakości wykonania - ISO 9002 (producent utrzymuje zatwierdzony system zarządzania jakością zgodnie z normą ISO 9002, deklaruje zgodność z zatwierdzonym typem i stawia znak CE, jednostka notyfikacyjna nadzoruje systemu zarządzania jakością po jego wcześniejszym uznaniu);

E - zapewnienie kontroli wyrobu - ISO 9003 (producent utrzymuje zatwierdzony system nadzoru jakości kontroli i badań wyrobu, deklaruje zgodność z zatwierdzonym typem i stawia znak CE, jednostka notyfikacyjna nadzoruje system zarządzania jakością);

20

Znak CE:

F - badanie wyrobu przez jednostkę akredytowaną (producent zapewnia zgodność z zatwierdzonym typem lub dyrektywami technicznymi a jednostka notyfikacyjna zgodność każdego wyrobu z zatwierdzonym typem oraz wydaje atest o zgodności i stawia znak CE);

G - weryfikacja jakości typu i wykonania przez jednostkę certyfikującą (producent przedkłada założenia techniczne koncepcji i przedstawia swoje wyroby a jednostka certyfikująca sprawdza zgodność wyrobu z wymaganiami dyrektyw, wystawia atest o zgodności i stawia znak CE);

H - system jakości ISO 9001 (producent utrzymuje zatwierdzony system zarządzania jakością, deklaruje zgodność z zatwierdzonym typem i stawia znak CE, jednostka certyfikująca zatwierdza system zarządzania jakością i nadzoruje ten system).

21

Znak CE:

W przypadku sprzętu medycznego obowiązują badania w zależności od klasy urządzenia w następujących zakresach:

Bezpieczeństwo EN60601-1 i pozostałe

Połączenia EN60601-1-1

EMC EN60601-1-2

FMECA (Analiza rodzajów skutków i krytyczności uszkodzeń) IEC812

Analiza ryzyka EN1441

Biokompatybilność ISO10993

Ocena Kliniczna EN540

Tłumaczenia

22

Wybrane zaburzenia rytmu serca:

http://zaburzeniarytmu.pl/home

23

Analiza sygnału EKG:

24

Na wykresie EKG analizujemy:

• linia izoelektryczna - linia pozioma zarejestrowana w czasie, gdy w sercu nie stwierdza się żadnych pobudzeń (aktywności). Najłatwiej wyznaczyć ją według odcinka PQ. Stanowi ona punkt odniesienia poniższych zmian § załamki - wychylenia od linii izoelektrycznej (dodatni, gdy wychylony w górę; ujemny, gdy wychylony w dół)

• odcinki - czas trwania linii izoelektrycznej pomiędzy załamkami

• odstępy - łączny czas trwania odcinków i sąsiadującego załamka

25

Załamki:

• załamek P - jest wyrazem depolaryzacji mięśnia przedsionków (dodatni we wszystkich 11 odprowadzeniach, poza aVR- ujemny)

• zespół QRS - odpowiada depolaryzacji mięśnia komór

• załamek T - odpowiada repolaryzacji komór

• czasem też załamek U

Odcinki:

• odcinek PQ - wyraża czas przewodzenia depolaryzacji przez węzeł przedsionkowo-komorowy (AV)

• odcinek ST - okres depolaryzacji komór

26

Odstępy:

• odstęp PQ - wyraża czas przewodzenia depolaryzacji od węzła zatokowo-przedsionkowego do węzeł przedsionkowo-komorowy (SA -> AV)

• odstęp ST - wyraża czas wolnej i szybkiej repolaryzacji mięśnia komór (2 i 3 faza repolaryzacji)

• odstęp QT - wyraża czas potencjału czynnościowego mięśnia komór (depolaryzacja + repolaryzacja)

27

28

29

Typowe zaburzenia rytmu serca

Bradykardia zatokowa – zbyt wolny rytm serca – poniżej 60 uderzeń na minutę (częstość poniżej 40 uderzeń na minutę przyjmuje się jako niebezpieczną).

30

Tachykardia – zbyt szybki rytm serca (przekraczający 100 uderzeń na minutę w spoczynku)

Migotanie przedsionków – charakteryzuje się brakiem załamków P, przeważnie tachykardią z wąskimi zespołami QRS, arytmią i zachowanym tętnem

Inne na:

http://www.ratownictwo.waw.pl/ratownictwo_medyczne_ramka.html ?

31

Symulacja EKG:

https://brain.fuw.edu.pl/edu/EEG:Pracownia_Sygnałów_Biologicznych/Zajęcia_2_3_i_4

Zahamowanie zatokowe - to okresy braku czynności serca, gdy impuls nie powstaje we właściwym czasie.

Blok przewodzenia przedsionkowo – komorowego - występuje wtedy, gdy ośrodek rytmu zatokowego wysyła impuls, który rozprzestrzenia się na przedsionki serca, jednak nie dociera do mięśnia komór.

Rytm zastępczy - powstaje w innym ośrodku niż główny rytm serca - wówczas, gdy następuje zahamowanie rytmu zatokowego lub blok przedsionkowo-komorowy.

32

Podstawowe rozwiązania układów przetwornic

Głównym elementem takiej przetwornicy jest wysokoczęstotliwościowy układ kluczujący. Wyprostowane napięcie doprowadzane jest do układu kluczującego. Napięcie to przekształcone w falę prostokątną przenoszone jest na stronę "izolowaną" gdzie jest prostowane i wygładzane. Wielkość tego napięcia steruje, poprzez układ sprzężenia zwrotnego, relacją pomiędzy czasem włączenia i wyłączenia klucza. Decyduje to o wielkości energii dostarczanej na stronę izolowaną i tym samym napięciu wyjściowym przetwornicy.

PWM

OSC.

K

Prostownik Prostownik

ind

Tr

Ur

Wyjście Zasil.

K - komparator

Ur - napięcie odniesienia

33

Najprostszym rozwiązaniem jest bariera wykorzystująca elementy dioda świecąca (LED) oraz czujnik optyczny (fotodioda, fototranzystor, fotorezystor) bez układów linearyzacji.

Bariery sygnałowe

+

Ucc

Uie

Uwe

Uwy

W barierze przedstawionej powyżej wykorzystuje się wpływ polaryzacji wstępnej diody świecącej w wyniku przyłożenia napięcia Uie. Podstawowe problemy wiążące się z takim rozwiązaniem to nieliniowość bariery oraz zmiana współczynnika wzmocnienia prądu z czasem.

34

Wady te można wyeliminować w wyniku zastosowania modulacji

Modulator Uwe Demodul.

Uwy

Rodzaj modulacji typowo stosowanej to konwersja napięcie-częstotliwość (U/f). W tym układzie optoizolator pracuje najczęściej jako układ przełączający.

35

Układ AD210 - AnalogDevices

36

Układ AD210 – podstawowy układ wzmacniacza

37

Układ ADAS1000 – AnalogDevices - Functional Block Diagram

38

Układ ADS1298 - Texas Instruments

39

Układ ADS1298ECG demonstration kit

40

Układ odniesienia

http://www.ti.com/solution/ecg_electrocardiogram