Электробезопасность медицинской аппаратуры
Одним из важных вопросов, связанных с использованием электронной медицинской аппаратуры, является ее электробезопасность как для пациентов, так и для медицинского персонала.
Больной вследствие различных причин (ослабленность организма, действие наркоза, отсутствие сознания, наличие электродов на теле, т. е. прямое включение пациента в электрическую цепь, и др.) оказывается в особо электроопасных условиях по сравнению со здоровым человеком. Медицинский персонал, работающий с медицинской электронной аппаратурой, также находится в условиях риска поражения электрическим током.
В электрической сети и в технических устройствах обычно задают электрическое напряжение, однако 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 (рис. 16.1). Сопротивление Rвн внутренних частей организма слабо зависит от общего состояния человека, в расчетах принимают Rвн = 1 кОм для пути ладонь — ступня. Сопротивление Rк кожи существенно зависит от внутренних и внеш-
них причин (потливость, влажность). Кроме того, на разных участках тела кожа имеет разную толщину и, следовательно, различное сопротивление. Поэтому (учитывая неопределенность сопротивления кожи человека) ее вообще в расчет не принимают и считают I = U/Rвн = U/1000 Ом. Так, например, I = 220/1000 А = 220 мА при U = 220 В. На самом деле кожа имеет сопротивление, которое может превосходить сопротивление внутренних органов, и сила тока в реальной ситуации при напряжении 220 В может быть существенно меньше 220 мА. Понятно, что при работе с электронной медицинской аппаратурой должны быть предусмотрены все возможные меры по обеспечению безопасности.
Основное и главное требование — сделать недоступным касание частей аппаратуры, находящихся под напряжением.
Для этого прежде всего изолируют части приборов и аппаратов, находящиеся под напряжением, друг от друга и от корпуса аппаратуры. Изоляция, выполняющая такую роль, называется основной или рабочей. Отверстия в корпусе должны исключать возможность случайного проникновения и касания внутренних частей аппаратуры пальцами, металлическими цепочками украшений и т. п. Однако даже если части аппаратуры, находящиеся под напряжением, и закрыты от прикосновения, это еще не обеспечивает полной безопасности по крайней мере по двум причинам.
Во-первых, какой бы ни была изоляция между внутренними частями аппаратуры и ее корпусом, сопротивление приборов и аппаратов переменному току не бесконечно. Не бесконечно и сопротивление между проводами электросети и землей. Поэтому при касании человеком корпуса аппаратуры через тело человека пройдет некоторый ток, называемый током утечки.
Во-вторых, не исключено, что благодаря порче рабочей изоляции (старение, влажность окружающего воздуха) возникает электрическое замыкание внутренних частей аппаратуры с корпусом — «пробой на корпус», и внешняя, доступная для касания часть аппаратуры (корпус) окажется под напряжением.
И в одном и в другом случае должны быть приняты меры, которые исключали бы поражение током лиц при касании корпуса прибора или аппарата. Рассмотрим эти вопросы несколько подробнее
 |
Сила тока утечки на корпус, как и всякий ток проводимости, по закону Ома зависит от напряжения и сопротивления цепи. Цепь тока утечки схематически показана на рис. 16.2. Здесь 1 — корпус аппарата, внутри него трансформатор, первичная обмотка 2 которого подсоединена к источнику напряжения сети 3. Вторичная обмотка 4 трансформатора соединяется с рабочей частью аппаратуры (на рисунке не показана). Электрическая сеть независимо от наличия или отсутствия заземления всегда имеет некоторую проводимость относительно земли, которая определяется активным (омическим) сопротивлением R3 изоляции и заземления и емкостью С3 проводников сети и земли. Электропроводимость между сетью и корпусом зависит соответственно от омического сопротивления рабочей изоляции и от емкости между внутренними частями аппаратуры, находящимися под напряжением, и корпусом, т. е. от Rути Сут . Все эти элементы изображены на рис. 16.2 штриховыми линиями, так как они являются распределенными параметрами и не представляют реальных резисторов и конденсаторов. Штрихпунк-тирной линией на рисунке показан путь тока утечки, проходящего через тело человека, касающегося корпуса аппарата или прибора.
Так как сила тока утечки существенно влияет на безопасность эксплуатации медицинской аппаратуры, то при конструировании и изготовлении этих изделий учитывают допустимую силу этого тока как при нормальной работе приборов и аппаратов, так и в случае единичного нарушения. Под единичным нарушением понимают отказ одного из средств защиты от поражения электрическим током. По условиям электробезопасности единичное нарушение не должно создавать непосредственной опасности для человека. Допустимые силы токов утечки различают по типам электромедицинских изделий в зависимости от их назначения и степени защиты от поражения током. Во всяком случае, ток утечки всегда меньше порога ощутимого тока (см. § 15.2).
При пробое на корпус доступные (внешние) для касания части аппаратуры оказываются под напряжением. И в этом случае при нарушенных условиях работы изделий следует предусмотреть возможные способы защиты от поражения электрическим током. К таким основным защитным мерам относятся заземление и зануление. Для понимания физической стороны этих мер нужно знать, как электромедицинская аппаратура подключается к трехфазной системе.
При техническом решении вопроса о наиболее экономной передаче переменного тока по проводам русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в конце прошлого века была предложена трехфазная система тока (трехфазный ток). Один из вариантов этой системы представлен на рис. 16.3: 1 — фазовые обмотки одного генератора, в которых индуцируется переменное напряжение; 2 — нагрузки (потребители); 3 — линейные провода (они соединяют генератор с потребителем). Для того чтобы потребитель в одном контуре трехфазной цепи не влиял на режим работы другого контура, целесообразно включить нейтральный (нулевой) провод 4. Напряжения Uл между линейными проводами называются линейными, а между линейными и нейтральным проводом — фазовыми (Uф). Соотношение между фазовым и линейным напряжением следующее:
Обычно электромедицинская аппаратура присоединяется как однофазная нагрузка к линейному или фазовому напряжению. На рис. 16.4 показано питание аппарата или прибора линейным напря-
жением, нейтраль не заземлена. Для упрощения предположим, что линейные провода имеют совершенную изоляцию, а нейтральный провод имеет относительно земли сопротивление Rи (показано штриховой линией). Если бы не было защитного заземления R3, то при пробое и касании человеком корпуса на человеке оказалось бы напряжение. Штрихпунктиром показана цепь, в которую оказался бы включенным человек. Из рисунка видно, что напряжение Uф перераспределяется между сопротивлениями Rч тела человека, включая и сопротивление земли (пола), и Rи. Если, например, Rч = 0,5 Rи, a Uф = 220 В, то на человеке может оказаться 220/3 В ~ 75 В. Для защиты человека в этом случае необходимо заземлить корпус. Сопротивление R3 заземления подсоединено параллельно Rч. Так как R3 мало (должно быть не более 4 Ом), то Rи » R3 и фактически на этом сопротивлении и, следовательно, на человеке будет весьма незначительное напряжение.
Существенно отметить, что благодаря значительному сопротивлению Rи пробой на корпус не вызовет аварийного тока, достаточного для срабатывания предохранителя, поэтому это нарушение может остаться незамеченным для персонала. Однако если рядом окажется аппарат (прибор) с пробоем на корпус от другого линейного провода (другой фазы), то между корпусами двух приборов появится линейное напряжение. Одновременное прикосновение к таким корпусам весьма опасно.
В настоящее время в большинстве случаев распространены трехфазные сети с заземленной нейтралью. В этом случае защитное заземление малоэффективно. В самом деле, при хорошем заземлении нейтрали (рис. 16.4) Rи мало, например Rи≈ R3, напряжение Uф перераспределится между сопротивлениями, и между корпусом и землей окажется напряжение, равное 0,5 Uф. Это
опасно для человека. Скорее всего при пробое сработает предохранитель, однако это может произойти не сразу или даже вовсе не произойти при недостаточной силе аварийного тока. Для того чтобы предохранитель сработал, используют другой вид защиты — защитное зануление, при котором корпус аппаратуры соединяют проводниками с нулевым проводом сети (рис. 16.5). В случае пробоя на корпус возникает короткое замыкание (показано штрихпунктиром), срабатывает предохранитель, и аппаратура отключается отистарчника напряжения. Так как всегда имеется вероятность обрыва нулевого провода, то нейтраль заземляют в нескольких местах.
Резюмируя сказанное, еще раз отметим, что защитные заземления или зануления должны обеспечивать в установках с изолированной нейтралью безопасную силу тока, проходящего через тело человека при замыкании цепи на заземленные части аппаратуры, в установках с заземленной нейтралью — автоматическое отключение аппаратуры от электрической сети.
Выше были рассмотрены лишь основные вопросы электробезопасности при работе с электромедицинской аппаратурой. Так как трудно дать электротехническое описание различных ситуаций, способных повлечь несчастный случай, то ограничимся в заключение лишь некоторыми общими указаниями:
— — — не касайтесь приборов одновременно двумя обнаженными руками, частями тела;
— — — не работайте на влажном, сыром полу, на земле;
— — — не касайтесь труб (газ, вода, отопление), металлических конструкций при работе с электроаппаратурой;
— — — не касайтесь одновременно металлических частей двух аппаратов (приборов).
При проведении процедур с использованием электродов, наложенных на пациента, трудно предусмотреть множество вариантов создания электроопасной ситуации (касание больным отопительных батарей, газовых и водопроводных труб и кранов, замыкание через корпус соседней аппаратуры и т. п.), поэтому необходимо четко следовать инструкции по проведению данной процедуры, не делая каких-либо отступлений от нее.