Читать онлайн «Медицинская физика». Страница 15

Существенным сдвигом в миниатюризации электронных устройств было внедрение полупроводниковых диодов и триодов, что позволило довести плотность электронных устройств до 2–3 элементов в 1 см3.

Следующим этапом миниатюризации электроники, который развивается и в настоящее время, является создание интегральных схем. Это миниатюрное электронное устройство, у которого все элементы (или их часть) нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. Различают два основных типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковые интегральные схемы изготовляют из особо чистых полупроводников. Путем термической, диффузной и иной обработки изменяют кристаллическую решетку полупроводника так, что отдельные его области становятся различными элементами схемы. Пленочные интегральные схемы изготовляют путем осаждения различных материалов в вакууме на соответствующие подложки. Используют также гибридные интегральные схемы – сочетание полупроводниковых и пленочных схем.

Одно из распространенных применений электронных устройств связано с диагностикой и лечением заболеваний. Разделы электроники, в которых рассматриваются особенности применения электронных систем для решения медико-биологических задач, а также устройства соответствующей аппаратуры, получили название медицинской электроники.

Медицинская электроника основывается на сведениях из физики, математики, техники, медицины, биологии, физиологии и других наук, она включаетв себя биологическую и физиологическую электронику.

В настоящее время многие традиционно «неэлектрические» характеристики (температуру, смещение тела, биохимические показатели и др.) при измерениях стремятся преобразовать в электрический сигнал. Информацию, представленную электрическим сигналом, удобно передавать на расстояние и надежно регистрировать. Можно выделить следующие основные группы электронных приборов и аппаратов, используемых для медико-биологических целей.

1. Устройства для получения (схема), передачи и регистрации медико-биологической информации. Такая информация может быть не только о процессах, происходящих в организме (в биологической ткани, органах, системах), но и о состоянии окружающей среды (санитарно-гигиеническое назначение), о процессах, происходящих в протезах, и т. д. Сюда относится большая часть диагностической аппаратуры: балли-стокардиографы, фонокардиографы и др.

2. Электронные устройства, обеспечивающие дозирующее воздействие на организм различными физическими факторами (такими как ультразвук, электрический ток, электромагнитные поля и др.) с целью лечения: аппараты микроволновой терапии, аппараты для электрохирургии, кардиостимуляторы и др. 3. Кибернетические электронные устройства:

1) электронные вычислительные машины для переработки, хранения и автоматического анализа медико-биологической информации;

2) устройства для управления процессами жизнедеятельности и автоматического регулирования окружающей человека среды;

3) электронные модели биологических процессов и др. Одним из важных вопросов, связанных с устройством

электронной медицинской аппаратуры, является ее электробезопасность как для пациентов, так и для медицинского персонала. В электрической сети и в технических устройствах обычно задают электрическое напряжение, но действие на организм или органы оказывает электрический ток, т. е. заряд, протекающий через биологический объект в единицу времени.

Сопротивление тела человека между двумя касаниями (электродами) складывается из сопротивления внутренних тканей и органов и сопротивления кожи.

Основное и главное требование – сделать недоступным касание аппаратуры, находящейся под напряжением. Для этого прежде всего изолируют части приборов и аппаратов, находящихся под напряжением, друг от друга и от корпуса аппаратуры.

При проведении процедур с использованием электродов, наложенных на пациента, трудно предусмотреть множество вариантов создания электроопасной ситуации, поэтому следует четко следовать инструкции по проведению данной процедуры, не делая каких-либо отступлений от нее.

Надежность медицинской аппаратуры. Медицинская аппаратура должна нормально функционировать. Способность изделия не отказывать в работе в заданных условиях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение заданного интервала времени характеризуют обобщающим термином – «надежность». Для медицинской аппаратуры проблема надежности особенно актуальна, так как выход приборов и аппаратов из строя может привести не только к экономическим потерям, но и к гибели пациентов. Способность аппаратуры к безотказной работе зависит от многих причин, учесть действие которых практически невозможно, поэтому количественная оценка надежности имеет вероятностный характер. Так, например, важным параметром является вероятность безотказной работы. Она оценивается экспериментально отношением числа работающих (не испортившихся) за определенное время изделий к общему числу испы-тывавшихся изделий. Эта характеристика оценивает возможность сохранения изделием работоспособности в заданном интервале времени. Другим количественным показателем надежности является интенсивность отказов. В зависимости от возможных последствий отказа в процессе эксплуатации медицинские изделия подразделяются на четыре класса.

А – изделия, отказ которых представляет непосредственную опасность для жизни пациента или персонала. К изделиям этого класса относятся приборы для наблюдения за жизненно важными функциями больного, аппараты искусственного дыхания и кровообращения.

Б – изделия, отказ которых вызывает искажение информации о состоянии организма или окружающей среды, не приводящее к непосредственной опасности для жизни пациента или персонала, либо вызывает необходимость немедленного использования аналогичного по функциональному назначению изделия, находящегося в режиме ожидания. К таким изделиям относятся системы, следящие за больным, аппараты стимуляции сердечной деятельности.

В – изделия, отказ которых снижает эффективность или задерживает лечебно-диагностический процесс в некритических ситуациях, либо повышает нагрузку на медицинский или обслуживающий персонал, либо приводит только к материальному ущербу. К этому классу относится большая часть диагностической и физиотерапевтической аппаратуры, инструментарий и др.

Г – изделия, не содержащие отказоспособных частей. Электромедицинская аппаратура к этому классу не относится.

Любое медико-биологическое исследование связано с получением и регистрацией отсутствующей информации. Для того чтобы получить и зафиксировать информацию о состоянии и параметрах медико-биологической системы, необходимо иметь целую совокупность устройств. Первичный элемент этой совокупности – чувствительный элемент средства измерений, называемый устройством съема, – непременно контактирует или взаимодействует с самой системой.

В устройствах медицинской электроники чувствительный элемент либо прямо выдает электрический сигнал, либо изменяет таковой сигнал под воздействием биологической системы. Устройство съема преобразует информацию медико-биологического и физиологического содержания в сигнал электронного устройства. В медицинской электронике используются два вида устройств съема: электроды и датчики.

Электроды – это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой. При диагностике электроды используются не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнитного воздействия (например, в реографии). В медицине электроды используются также для оказания электромагнитного воздействия с целью лечения и при электростимуляции.

Многие медико-биологические характеристики нельзя «снять» электродами, так как они не отражаются биоэлектрическим сигналом: давление крови, температура, звуки сердца и многие другие. В некоторых случаях медико-биологическая информация связана с электрическим сигналом, в этих случаях используют датчики (измерительные преобразователи). Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные – это датчики, которые под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. К таким типам датчиков относятся:

1) пьезоэлектрические;

2) термоэлектрические;

3) индукционные;