电击防控技术在医疗设备中的应用
发布时间：2017-11-22
1 引言
随着我国人民生活水平的持续提高, 人们对生活质量的追求也愈加迫切, 但是对于疾病的出现却是只能尽量预防, 而无法完全杜绝的, 于是一旦生病人们就会尽可能的选择高水平现代化的医院就医, 希望早日摆脱病魔。现代化的医院离不开现代化的设备, 医疗设备是衡量一个医院现代化水平的重要标志。由于我国社会主义市场经济体制改革的不断深入, 各级医院都积极通过投资合作或自筹资金等方式引进现代化的医疗设备。这些设备大多是将国内外的先进科研成果运用在医疗方面,给患者带来新的福音, 但是如果使用不当或防控缺失, 也会给医护人员或患者带来电击等伤害。
当今世界, 电子技术正在快速发展, 在医疗电气设备的医疗活动中发挥着日渐明显的作用。由于诊断和治疗的医疗仪器往往直接作用于人体, 甚至仪器的部分电极置入体内, 所以设备安全用电问题十分重要。在医疗活动中患者本身处于非常虚弱、被麻醉或昏迷状态, 如果用电安全措施不力, 则轻者被电击灼伤, 重者将危及生命。比如在电击防控技术相对完善的美国, 每年仍有约有 1200 人在医院常规诊断和治疗过程中因触电死亡,而我国近几年重大医疗触电事故也频频发生。这些生命的教训警示医疗设备的开发设计人员必须加快对医疗设备电击防控技术的探索。
2 医疗设备安全防控的发展
医疗设备是与人接触的, 医疗设备安全包括:病人及陪人的人身安全、医护操作人员的人身安全、维修工程师自身的人身安全、设备本身的安全等。美国对医疗设备安全防控方面的研究起步较早, 早在 20 世纪 30 年代初期, 美国科学家对人体感知电流、人体阻抗、摆脱电流和电压、刺激感受与频率的关系、男性与女性对电击的敏感度等进行了研究。研究结果表明:人的神经系统高度发达, 对电流非常敏感, 有时只受到微小的电击, 也会使人感到惊吓, 感到难受。大电流通过人体时, 可引起心脏纤维性颤动, 造成呼吸器官麻痹, 中枢神经系统受损, 使体表或体内烧伤, 电击时间较长时, 可致人立即死亡。医疗电气设备的操作者是医务人员, 由于专业知识的局限, 对来自医疗设备本身的电击伤害防范意识较弱, 所以必须有一整套行之有效的技术和制度来规范医疗设备的使用, 提高设备的安全性与可靠性, 将医疗电击事故降低到最低程度。
3 电击的定义和分类
通常意义上, 电击是指超过一定数量的电流通过人体而引起的各种电伤害, 较为常见的有皮肤灼伤、心室抖颤、心肌收缩等症状。电击对人体的危害, 主要以热效应、刺激效应和化学效应等形式出现。电流通过人体时, 将发生许多物理和化学变化,引起多种复杂生物效应, 电流大到一定程度将导致肌体损伤。根据方式和程度的不同, 可将电击分为两类:一类称为强电击, 另一类称为微电击。
3.1 强电击
强电击是电流经皮肤通过人体引起的电击, 往往是人体直接接触强电流引起的。例如, 人体直接接触 220V 的电压, 有30mA 电流就足以致人死亡。有时高电压未必能输出强电流, 对人体不会造成大的伤害, 例如维修中有时触及到电视机中的高压包, 公安人员在值勤时用的高压电棍的放电, 一般都不会直接产生致命伤害, 所以通常用电流值表示比用电压值表示更为确切。例如:两个人同样误触 220V 交流电, 可能一人被电击, 另一人则安然无事, 这由两个人身体通过的电流不同而定。当有50Hz 交流电通过身体并部分经过心脏时, 成年男性在不同电流强度下的生理反应如表一所示。表中的数值对于女性要低些,约为2/3, 儿童更低些, 约1/2。所以引起人体组织生理效应和肌体损伤的直接原因是电流而不是电压, 故强电击也能强称为强电流电击。
3.2 微电击
微电击是指电流从体内流出体外所产生的电击, 这类电击尽管电流很小, 但突破了皮肤电阻这一自然保护层, 人体的有效电阻大大降低, 这时患者对电流非常敏感。当今医学的许多临床检查或治疗手段都需要在病人体内插入各种导电电极, 如果有泄漏电流随电极引入体内, 当其经过脑、心脏、肺等重要器官时会造成严重的后果, 甚至是生命危险。例如在心脏介入治疗、放射介入治疗过程中发生微电击是非常危险的, 它往往在医务人员毫无察觉情况下发生, 应引起人们的高度重视。医疗电气设备允许通过患者心脏的漏电电流正常状态为 10uA 以下, 单一故障状态为 50uA 以下, 相应地手术室内电位正常时为10mV, 单一故障状态为 50mV。所以微电击的允许安全极限电流一般是 10uA。
4 电击的条件和原因
人体内存在体液、血液, 是一个导电的复杂阻抗网络。电击的产生条件是人体与电源之间必须存在两个接触点, 且两个接触点之间存在电位差, 电位差高到足以产生生理效应的电流强度, 这是产生电击的必要条件。若人体某点与电源火线接触, 两脚与地绝缘或悬空, 这样是不会发生触电事故的, 因为人体与电源只有一点接触, 人体是一个等电位体, 不构成电流回路, 所以未能构成电击的必要条件。流经人体电流的大小主要与皮肤阻抗的大小、电流的频率及金属接触物的接触条件有关, 电击对人的肌体的伤害程度主要取决于电流大小和电流的路径, 其中电流通过心脏危险最大。医疗电器设备电击事故的主要原因如下。
4.1 接地问题
医疗仪器的金属外壳没有接地或接地不良是造成宏电击事故的主要原因。许多仪器都有可能被医务人员和病人接触到的金属外壳, 如果机壳接地不良或根本没有接地, 由于某种原因,有可能使机壳与地之间产生较大的电位差, 当人同时接触到机壳和任何接地物体时就会造成宏电击, 对人体造成非常危险的电伤害。设备金属带电的原因是多方面的:磨损的电缆造成火线与连接机壳的地线相碰, 仪器内部的电源故障或机械故障造成电源火线或机内高电压与机壳短路, 由于不小心使医学检测液体流入仪器内部, 造成仪器漏电使机壳带电, 由于电源零线代替地线, 因停电或进线变更使火线接入机壳, 电源总开关、保险座、插座插头绝缘不良或烧焦炭化等。
接地方法不正确也是造成微电击事故的一个直接原因。如果同一病房内同时有几台仪器与病人连接, 那么这几台仪器不能采用单独分别接地措施, 如果单独接地的话, 每台仪器的外壳电位并不相等, 这种电位差会对患者造成电击事故。在医院这类事故时有发生。正确的做法是:作用在同一患者的多台仪器的接地线必须接在同一根地线的同一点上, 叫做一点接地, 这样可使不同仪器的外壳保持在同一电位水平上, 可有效防止非等电位对人体的电击伤害。
4.2 漏电问题
本文所提到的漏电包括医学仪器故障造成的漏电及电容耦合造成的漏电两个方面。在任何相邻的带不同电位的绝缘导体间必然要流过的电流称为漏电流, 漏电流分为两种, 一种是电容产生的位移漏电流, 另一种是电阻产生的传导漏电流, 仪器故障产生的漏电流大都是电阻传导所产生的漏电流, 若仪器外壳漏电和连接到病人的导联或电极漏电, 将会发生触电事故。电容耦合漏电往往被人们所忽视, 但它的确存在。任何导体与地之间或者用绝缘体分开的两个导体之间, 均可等效成一个电容器而形成交流通路, 均会产生漏电流。医疗电器设备的金属外壳与地之间以及电源火线与机壳之间均可等效成一个耦合电容器而形成交流通路, 具有不易感知的漏电流产生, 既仪器金属外壳具有漏电位产生, 这种漏电位与地电位不等, 因为电容耦合的漏电流一般不会超过 500uA, 因此人们不会明显地感到它们的存在, 但科学实验告诉人们:这种电耦形成的漏电流的确存在, 如果让它全部流进心脏, 将会对人体产生致命的伤害。
4.3 电阻问题
人体电阻一般大于 2000Ω, 人体越干燥, 皮肤电阻越大, 不同的人皮肤电阻差别较大。因此, 皮肤电阻可限制流过身体的电流, 若减小或消除皮肤电阻。将会增加流过身体的电流量, 使病人容易遭受电击的危险。重症监护病人或做生物电测量时, 由于导电膏减小了皮肤接触电阻, 病人更容易遭受电击伤害。
5 电击防控的措施和技术
5.1 绝缘与隔离系统
用金属外壳或塑料外壳将仪器的导电部分覆盖起来, 使人体接触不到仪器的带电体, 这是最普遍的防护措施。但这种防护也存在电击隐患, 这是因为仪器的导电部分和外壳之间存在着耦合电容, 存在漏电流, 引起微电击的漏电流允许值为10uA, 如果电源电压采用 220V, 则仪器的绝缘电阻必须在22MΩ以上。
医疗设备通常会触及人体。当绝缘强度由于由于机壳老化等原因而下降时, 发生微电击的可能性较大, 特别是用于心脏介入的设备。所以仅靠绝缘是不够的, 改进办法是将仪器接触人体的部分与电源部分的大地隔离, 采用浮地。接触患者的电路部分与电源的地线并没有电的关系。现在不少新型医用电子仪器已采用了隔离措施。这种仪器信号传输依靠光电耦合或电磁耦合来实现输入- 输出之间的隔离。接触人体部分的电路, 即仪器的输入端部分的电源供给采用 DC- DC 变换器, 浮地与电源的大地没有电的联系, 如果使用没有隔离措施的医用电子仪器, 应尽可能不使用交流电; 使用干电池或者仪器自配的蓄电池供电,实现自然隔离。
5.2 接地与分流原理
良好的接地可以使机壳带电安全入地, 可以避免大多数强电击的危险。实际应用中应尽量减小地线接地电阻, 使人体所能接触到的机壳金属表面与大地保持在同一电位。保护接地就是电学中的分流原理在医疗安全防范工作中的具体应用。当医疗设备的金属外壳与大地相连, 接地线与人体构成并联关系, 人体电阻大于 2000Ω, 接地电阻不大于4Ω, 人体电阻比接地电阻大500 倍, 当机壳带电时, 根据欧姆定律及电工学中分流原理,流过人体的电流是流进接地线电流的1/500。因此, 绝大部分电流通过接地线分流泄入大地, 从而保护人体免受电击伤害。我国规定接地系统的接地电阻应小于 4Ω, 同时还可以通过接地故障检测电路(图1)来监督防控效果。
保护接地是应用最普遍的防护措施, 但也要注意同一室内不允许有多条接地配线, 只允许有一条公共接地线, 公共接地线要粗, 且不得拉得过长或绕圈, 同一室内的多台仪器的接地线只能接到公共接地线的同一接地点上。接地电阻不大于4Ω,且按地线不能接到水管、煤气管上面, 因为一栋楼的水管、煤气管是连接在一起的, 若某一仪器的外壳带电, 则整栋楼的水管、煤气管都有带电, 这样容易引发新的触电事故, 这种行为是绝对禁止的。
5.3 局部等电位联结
为防止微电击应采取等电位接地方式, 并使用双重绝缘或加强绝缘的电气设备。防微电击等电位联结, 通常是把医疗设备的金属外壳或设备周围的所有导电物体, 用低电阻导线连接在一起后接入大地。此时设备外壳和周围导电金属物处在同一电位, 当人体跨接于机壳和金属导线或两个金属导体之间时, 由于是等电位不会发生电击事故, 对患者形成最安全的防护。导电物体通常包括室内给水管, 金属窗框, 病床的金属框架及患者可能在2.5m 内直接或间接触及到的各部分金属部件。
用于上述部件进行等电位联结的保护线阻值, 应使上述金属导体相互间的电位差小于 10mV。可在房间墙上设置等电位联结箱, 箱内的等电位联结板与等电位联结干线相连接。IT 系统内的局部等电位联结不应与 TN 系统的 PE 线有任何通路联结, 具体可采用如下方法:在结构板上做绝缘层, 然后在上面做细石混凝土垫层, 在垫层内按 100m×100m 铺设 Ф4 钢筋网形成均压网, 均压网对角线两处用Ф12 镀锌圆钢, 在距地30cm 作转接盒, 再用 BVR―25 的铜导线接到局部等电位联结端子板, 均压网垫层内不应再敷 TN 系统的任何金属管线。
5.4 改进电路设计
电路是医疗设备设计的重要部分, 通过有目的改进也可以实现的电击的防控作用。比如某型号的心电图机就在电路设计上采取了许多安全防护措施。在放大电路前级采用了浮地技术,前置放大器的地线和后级放大器的地线相互隔离, 当仪器漏电时确保漏电流不通过导联流入人体, 浮地技术有效防止了电击事故的发生。在心电测量时, 为了减少50Hz 交流电对共模信号的干扰, 常采用右腿驱动电路。病人右腿不直接接地, 而是通过限流电阻与驱动放大器相连, 当病人和地之间, 由于漏电或其它的原因出现高电压时, 右腿放大器立即饱和, 这相当于病人不接地, 从而减少了电击的危险。在电子脉冲治疗仪中, 普遍采用电磁耦合进行安全防护。因为电子治疗仪的两根输出电极直接作用于人体, 是绝对不能让火线窜入到输出电极上的, 采用电源变压器隔离了与市电的联系, 其输出级采用升压变压器, 这是第二级电磁耦合隔离措施, 从而真正确保了输出级不窜入高压市电,保证了人体免遭市电的伤害, 这是采用电磁耦合进行安全防护的实例。
6 应用展望
通过上述对医疗设备的安全防护, 尤其是电击产生条件、原因和防控技术的介绍, 不难得出这样的结论, 就是在医疗设备的设计和使用中, 安全因素是最需要注意的方面。目前, 国内外已制订出许多安全标准, 目的就是在于不断提高医疗设备的安全性和可靠性。电击防控技术的研究既是安全防护的重要方面,又是将现代电子技术应用于医疗系统的探索切入点, 相信电子技术与医学知识的不断发展与结合将共同为人类造福。
摘自：中国计量测控网
