電擊防控技術在醫療設備中的應用
發布時間：2017-11-22
1 引言
隨著我國人民生活水平的持續提高, 人們對生活質量的追求也愈加迫切, 但是對于疾病的出現卻是只能盡量預防, 而無法完全杜絕的, 于是一旦生病人們就會盡可能的選擇高水平現代化的醫院就醫, 希望早日擺脫病魔。現代化的醫院離不開現代化的設備, 醫療設備是衡量一個醫院現代化水平的重要標志。由于我國社會主義市場經濟體制改革的不斷深入, 各級醫院都積極通過投資合作或自籌資金等方式引進現代化的醫療設備。這些設備大多是將國內外的先進科研成果運用在醫療方面,給患者帶來新的福音, 但是如果使用不當或防控缺失, 也會給醫護人員或患者帶來電擊等傷害。
當今世界, 電子技術正在快速發展, 在醫療電氣設備的醫療活動中發揮著日漸明顯的作用。由于診斷和治療的醫療儀器往往直接作用于人體, 甚至儀器的部分電極置入體內, 所以設備安全用電問題十分重要。在醫療活動中患者本身處于非常虛弱、被麻醉或昏迷狀態, 如果用電安全措施不力, 則輕者被電擊灼傷, 重者將危及生命。比如在電擊防控技術相對完善的美國, 每年仍有約有 1200 人在醫院常規診斷和治療過程中因觸電死亡,而我國近幾年重大醫療觸電事故也頻頻發生。這些生命的教訓警示醫療設備的開發設計人員必須加快對醫療設備電擊防控技術的探索。
2 醫療設備安全防控的發展
醫療設備是與人接觸的, 醫療設備安全包括:病人及陪人的人身安全、醫護操作人員的人身安全、維修工程師自身的人身安全、設備本身的安全等。美國對醫療設備安全防控方面的研究起步較早, 早在 20 世紀 30 年代初期, 美國科學家對人體感知電流、人體阻抗、擺脫電流和電壓、刺激感受與頻率的關系、男性與女性對電擊的敏感度等進行了研究。研究結果表明:人的神經系統高度發達, 對電流非常敏感, 有時只受到微小的電擊, 也會使人感到驚嚇, 感到難受。大電流通過人體時, 可引起心臟纖維性顫動, 造成呼吸器官麻痹, 中樞神經系統受損, 使體表或體內燒傷, 電擊時間較長時, 可致人立即死亡。醫療電氣設備的操作者是醫務人員, 由于專業知識的局限, 對來自醫療設備本身的電擊傷害防范意識較弱, 所以必須有一整套行之有效的技術和制度來規范醫療設備的使用, 提高設備的安全性與可靠性, 將醫療電擊事故降低到最低程度。
3 電擊的定義和分類
通常意義上, 電擊是指超過一定數量的電流通過人體而引起的各種電傷害, 較為常見的有皮膚灼傷、心室抖顫、心肌收縮等癥狀。電擊對人體的危害, 主要以熱效應、刺激效應和化學效應等形式出現。電流通過人體時, 將發生許多物理和化學變化,引起多種復雜生物效應, 電流大到一定程度將導致肌體損傷。根據方式和程度的不同, 可將電擊分為兩類:一類稱為強電擊, 另一類稱為微電擊。
3.1 強電擊
強電擊是電流經皮膚通過人體引起的電擊, 往往是人體直接接觸強電流引起的。例如, 人體直接接觸 220V 的電壓, 有30mA 電流就足以致人死亡。有時高電壓未必能輸出強電流, 對人體不會造成大的傷害, 例如維修中有時觸及到電視機中的高壓包, 公安人員在值勤時用的高壓電棍的放電, 一般都不會直接產生致命傷害, 所以通常用電流值表示比用電壓值表示更為確切。例如:兩個人同樣誤觸 220V 交流電, 可能一人被電擊, 另一人則安然無事, 這由兩個人身體通過的電流不同而定。當有50Hz 交流電通過身體并部分經過心臟時, 成年男性在不同電流強度下的生理反應如表一所示。表中的數值對于女性要低些,約為2/3, 兒童更低些, 約1/2。所以引起人體組織生理效應和肌體損傷的直接原因是電流而不是電壓, 故強電擊也能強稱為強電流電擊。
3.2 微電擊
微電擊是指電流從體內流出體外所產生的電擊, 這類電擊盡管電流很小, 但突破了皮膚電阻這一自然保護層, 人體的有效電阻大大降低, 這時患者對電流非常敏感。當今醫學的許多臨床檢查或治療手段都需要在病人體內插入各種導電電極, 如果有泄漏電流隨電極引入體內, 當其經過腦、心臟、肺等重要器官時會造成嚴重的后果, 甚至是生命危險。例如在心臟介入治療、放射介入治療過程中發生微電擊是非常危險的, 它往往在醫務人員毫無察覺情況下發生, 應引起人們的高度重視。醫療電氣設備允許通過患者心臟的漏電電流正常狀態為 10uA 以下, 單一故障狀態為 50uA 以下, 相應地手術室內電位正常時為10mV, 單一故障狀態為 50mV。所以微電擊的允許安全極限電流一般是 10uA。
4 電擊的條件和原因
人體內存在體液、血液, 是一個導電的復雜阻抗網絡。電擊的產生條件是人體與電源之間必須存在兩個接觸點, 且兩個接觸點之間存在電位差, 電位差高到足以產生生理效應的電流強度, 這是產生電擊的必要條件。若人體某點與電源火線接觸, 兩腳與地絕緣或懸空, 這樣是不會發生觸電事故的, 因為人體與電源只有一點接觸, 人體是一個等電位體, 不構成電流回路, 所以未能構成電擊的必要條件。流經人體電流的大小主要與皮膚阻抗的大小、電流的頻率及金屬接觸物的接觸條件有關, 電擊對人的肌體的傷害程度主要取決于電流大小和電流的路徑, 其中電流通過心臟危險最大。醫療電器設備電擊事故的主要原因如下。
4.1 接地問題
醫療儀器的金屬外殼沒有接地或接地不良是造成宏電擊事故的主要原因。許多儀器都有可能被醫務人員和病人接觸到的金屬外殼, 如果機殼接地不良或根本沒有接地, 由于某種原因,有可能使機殼與地之間產生較大的電位差, 當人同時接觸到機殼和任何接地物體時就會造成宏電擊, 對人體造成非常危險的電傷害。設備金屬帶電的原因是多方面的:磨損的電纜造成火線與連接機殼的地線相碰, 儀器內部的電源故障或機械故障造成電源火線或機內高電壓與機殼短路, 由于不小心使醫學檢測液體流入儀器內部, 造成儀器漏電使機殼帶電, 由于電源零線代替地線, 因停電或進線變更使火線接入機殼, 電源總開關、保險座、插座插頭絕緣不良或燒焦炭化等。
接地方法不正確也是造成微電擊事故的一個直接原因。如果同一病房內同時有幾臺儀器與病人連接, 那么這幾臺儀器不能采用單獨分別接地措施, 如果單獨接地的話, 每臺儀器的外殼電位并不相等, 這種電位差會對患者造成電擊事故。在醫院這類事故時有發生。正確的做法是:作用在同一患者的多臺儀器的接地線必須接在同一根地線的同一點上, 叫做一點接地, 這樣可使不同儀器的外殼保持在同一電位水平上, 可有效防止非等電位對人體的電擊傷害。
4.2 漏電問題
本文所提到的漏電包括醫學儀器故障造成的漏電及電容耦合造成的漏電兩個方面。在任何相鄰的帶不同電位的絕緣導體間必然要流過的電流稱為漏電流, 漏電流分為兩種, 一種是電容產生的位移漏電流, 另一種是電阻產生的傳導漏電流, 儀器故障產生的漏電流大都是電阻傳導所產生的漏電流, 若儀器外殼漏電和連接到病人的導聯或電極漏電, 將會發生觸電事故。電容耦合漏電往往被人們所忽視, 但它的確存在。任何導體與地之間或者用絕緣體分開的兩個導體之間, 均可等效成一個電容器而形成交流通路, 均會產生漏電流。醫療電器設備的金屬外殼與地之間以及電源火線與機殼之間均可等效成一個耦合電容器而形成交流通路, 具有不易感知的漏電流產生, 既儀器金屬外殼具有漏電位產生, 這種漏電位與地電位不等, 因為電容耦合的漏電流一般不會超過 500uA, 因此人們不會明顯地感到它們的存在, 但科學實驗告訴人們:這種電耦形成的漏電流的確存在, 如果讓它全部流進心臟, 將會對人體產生致命的傷害。
4.3 電阻問題
人體電阻一般大于 2000Ω, 人體越干燥, 皮膚電阻越大, 不同的人皮膚電阻差別較大。因此, 皮膚電阻可限制流過身體的電流, 若減小或消除皮膚電阻。將會增加流過身體的電流量, 使病人容易遭受電擊的危險。重癥監護病人或做生物電測量時, 由于導電膏減小了皮膚接觸電阻, 病人更容易遭受電擊傷害。
5 電擊防控的措施和技術
5.1 絕緣與隔離系統
用金屬外殼或塑料外殼將儀器的導電部分覆蓋起來, 使人體接觸不到儀器的帶電體, 這是最普遍的防護措施。但這種防護也存在電擊隱患, 這是因為儀器的導電部分和外殼之間存在著耦合電容, 存在漏電流, 引起微電擊的漏電流允許值為10uA, 如果電源電壓采用 220V, 則儀器的絕緣電阻必須在22MΩ以上。
醫療設備通常會觸及人體。當絕緣強度由于由于機殼老化等原因而下降時, 發生微電擊的可能性較大, 特別是用于心臟介入的設備。所以僅靠絕緣是不夠的, 改進辦法是將儀器接觸人體的部分與電源部分的大地隔離, 采用浮地。接觸患者的電路部分與電源的地線并沒有電的關系。現在不少新型醫用電子儀器已采用了隔離措施。這種儀器信號傳輸依靠光電耦合或電磁耦合來實現輸入- 輸出之間的隔離。接觸人體部分的電路, 即儀器的輸入端部分的電源供給采用 DC- DC 變換器, 浮地與電源的大地沒有電的聯系, 如果使用沒有隔離措施的醫用電子儀器, 應盡可能不使用交流電; 使用干電池或者儀器自配的蓄電池供電,實現自然隔離。
5.2 接地與分流原理
良好的接地可以使機殼帶電安全入地, 可以避免大多數強電擊的危險。實際應用中應盡量減小地線接地電阻, 使人體所能接觸到的機殼金屬表面與大地保持在同一電位。保護接地就是電學中的分流原理在醫療安全防范工作中的具體應用。當醫療設備的金屬外殼與大地相連, 接地線與人體構成并聯關系, 人體電阻大于 2000Ω, 接地電阻不大于4Ω, 人體電阻比接地電阻大500 倍, 當機殼帶電時, 根據歐姆定律及電工學中分流原理,流過人體的電流是流進接地線電流的1/500。因此, 絕大部分電流通過接地線分流泄入大地, 從而保護人體免受電擊傷害。我國規定接地系統的接地電阻應小于 4Ω, 同時還可以通過接地故障檢測電路(圖1)來監督防控效果。
保護接地是應用最普遍的防護措施, 但也要注意同一室內不允許有多條接地配線, 只允許有一條公共接地線, 公共接地線要粗, 且不得拉得過長或繞圈, 同一室內的多臺儀器的接地線只能接到公共接地線的同一接地點上。接地電阻不大于4Ω,且按地線不能接到水管、煤氣管上面, 因為一棟樓的水管、煤氣管是連接在一起的, 若某一儀器的外殼帶電, 則整棟樓的水管、煤氣管都有帶電, 這樣容易引發新的觸電事故, 這種行為是絕對禁止的。
5.3 局部等電位聯結
為防止微電擊應采取等電位接地方式, 并使用雙重絕緣或加強絕緣的電氣設備。防微電擊等電位聯結, 通常是把醫療設備的金屬外殼或設備周圍的所有導電物體, 用低電阻導線連接在一起后接入大地。此時設備外殼和周圍導電金屬物處在同一電位, 當人體跨接于機殼和金屬導線或兩個金屬導體之間時, 由于是等電位不會發生電擊事故, 對患者形成最安全的防護。導電物體通常包括室內給水管, 金屬窗框, 病床的金屬框架及患者可能在2.5m 內直接或間接觸及到的各部分金屬部件。
用于上述部件進行等電位聯結的保護線阻值, 應使上述金屬導體相互間的電位差小于 10mV。可在房間墻上設置等電位聯結箱, 箱內的等電位聯結板與等電位聯結干線相連接。IT 系統內的局部等電位聯結不應與 TN 系統的 PE 線有任何通路聯結, 具體可采用如下方法:在結構板上做絕緣層, 然后在上面做細石混凝土墊層, 在墊層內按 100m×100m 鋪設 Ф4 鋼筋網形成均壓網, 均壓網對角線兩處用Ф12 鍍鋅圓鋼, 在距地30cm 作轉接盒, 再用 BVR―25 的銅導線接到局部等電位聯結端子板, 均壓網墊層內不應再敷 TN 系統的任何金屬管線。
5.4 改進電路設計
電路是醫療設備設計的重要部分, 通過有目的改進也可以實現的電擊的防控作用。比如某型號的心電圖機就在電路設計上采取了許多安全防護措施。在放大電路前級采用了浮地技術,前置放大器的地線和后級放大器的地線相互隔離, 當儀器漏電時確保漏電流不通過導聯流入人體, 浮地技術有效防止了電擊事故的發生。在心電測量時, 為了減少50Hz 交流電對共模信號的干擾, 常采用右腿驅動電路。病人右腿不直接接地, 而是通過限流電阻與驅動放大器相連, 當病人和地之間, 由于漏電或其它的原因出現高電壓時, 右腿放大器立即飽和, 這相當于病人不接地, 從而減少了電擊的危險。在電子脈沖治療儀中, 普遍采用電磁耦合進行安全防護。因為電子治療儀的兩根輸出電極直接作用于人體, 是絕對不能讓火線竄入到輸出電極上的, 采用電源變壓器隔離了與市電的聯系, 其輸出級采用升壓變壓器, 這是第二級電磁耦合隔離措施, 從而真正確保了輸出級不竄入高壓市電,保證了人體免遭市電的傷害, 這是采用電磁耦合進行安全防護的實例。
6 應用展望
通過上述對醫療設備的安全防護, 尤其是電擊產生條件、原因和防控技術的介紹, 不難得出這樣的結論, 就是在醫療設備的設計和使用中, 安全因素是最需要注意的方面。目前, 國內外已制訂出許多安全標準, 目的就是在于不斷提高醫療設備的安全性和可靠性。電擊防控技術的研究既是安全防護的重要方面,又是將現代電子技術應用于醫療系統的探索切入點, 相信電子技術與醫學知識的不斷發展與結合將共同為人類造福。
摘自：中國計量測控網
