Transcript Zakłócenia

Elektroniczna aparatura medyczna
cz. 6
1
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.
2
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.
3
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.
4
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.
5
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.
6
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.7
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
8
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).
9
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.
10
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.
11
12
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
13
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.
14
Schemat blokowy elektrokardiografu:
Elektrokardiograf zbudowany jest z trzech podstawowych bloków:
zespołu elektrod, wzmacniacza pomiarowego i układu wizualizacji
rezultatów.
15
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).
16
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.
17
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);
18
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);
19
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).
20
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
21
Wybrane zaburzenia rytmu serca:
http://zaburzeniarytmu.pl/home
22
Analiza sygnału EKG:
23
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
24
Załamki:
• załamek P - jest wyrazem depolaryzacji mięśnia przedsionków
(dodatni we wszystkich 11 odprowadzeniach, poza aVRujemny)
• 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
25
Odstępy:
• odstęp PQ - wyraża czas przewodzenia depolaryzacji od węzła
zatokowo-przedsionkowego do węzeł przedsionkowokomorowy (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)
26
27
28
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).
29
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 ?
30
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.
Symulacja EKG:
https://brain.fuw.edu.pl/edu/EEG:Pracownia_Sygnałów_Biologicz
nych/Zajęcia_2_3_i_4
31
Podstawowe rozwiązania układów przetwornic
Prostownik
Prostownik
Tr
Wyjście
Zasil.
ind
PWM
OSC.
K
Ur
K - komparator
Ur - napięcie odniesienia
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
32
przetwornicy.
Bariery sygnałowe
Najprostszym rozwiązaniem jest bariera wykorzystująca elementy
dioda świecąca (LED) oraz czujnik optyczny (fotodioda,
fototranzystor, fotorezystor) bez układów linearyzacji.
+
Uc
c
Uw
e
Uie
Uw
y
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
33
z czasem.
Wady te można wyeliminować w wyniku zastosowania modulacji
Uw
e
Modulator
Demodul.
Uw
y
Rodzaj modulacji typowo stosowanej to konwersja napięcieczęstotliwość (U/f). W tym układzie optoizolator pracuje
najczęściej jako układ przełączający.
34
Układ AD210 - AnalogDevices
35
Układ AD210 – podstawowy układ wzmacniacza
36
Układ ADAS1000 – AnalogDevices - Functional Block
Diagram
37
Układ ADS1298 - Texas Instruments
38
Układ ADS1298ECG demonstration kit
39
Układ odniesienia
http://www.ti.com/solution/ecg_electrocardiogram
40