ELECTROSECURITATEA IN APARATURA MEDICALA

ELECTROSECURITATEA IN APARATURA MEDICALA

Utilizarea aparatelor electronice medicale in diagnostic si tratament ridica o serie de probleme importante atat pentru securitatea pacientului, cat si a personalului medical. Din acest motiv este necesar ca toti cei care proiecteaza, construiesc sau utilizeaza aparate electronice medicale sa cunoasca efectele curentilor electrici asupra organismului si sa ia toate masurile pentru excluderea oricarui risc in folosirea acestor aparate in activitatea medicala.

Moartea prin electrocutare se produce, in majoritatea cazurilor, prin efectul curentului electric asupra inimii si numai in proportie redusa prin arsuri sau paralizii ale muschilor respiratori. Pentru acelasi curent global preluat de un subiect, riscul depinde de proportia curentului care trece prin inima, determinata de punctele de contact. Aceasta proportie este de 3,3% pentru contactul mana - mana, 3,7% pentru contactul mana stanga - picioare, 6,7% pentru mana dreapta - picioare si 0,4% pentru picior - picior.

S-a demonstrat ca trecerea unui curent electric prin inima, chiar la intensitati mici, poate avea efecte grave. Rezultatele experimentale arta ca majoritatea persoanelor nu percep curentul de 300 mA care este aplicat la suprafata corpului, intre maini. In schimb, se considera ca un curent de 30 mA (50 Hz) aplicat pe cord poate produce fibrilatie ventriculara.

Valoarea limita maxima a tensiunii pe inima este de circa 10 mV iar a curentului prin muschiul cardiac de 10 mA (valori efective). Aceste valori se refera la un curent continuu sau sinusoidal, cu frecventa cuprinsa intre zero si 1 KHz. Cresterea frecventei reduce treptat efectele curentului, incat intensitatea limita admisibila la 100 KHz poate atinge 1 mA.

Electrosecuritatea este un concept definit in sens larg ca starea de risc minim la utilizarea aparaturii electromedicale in vecinatatea omului. Ea se refera la continutul si limitarea socurilor electrice aleatoare, exploziilor, incendiilor sau oricaror stricaciuni (electrice) provocate pacientului, aparaturii sau cladirilor.

Socurile electrice asupra factorului uman pot fi macrosocuri (mA) sau microsocuri (mA), in functie de intensitatea curentului care trece intre brate, incluzand si inima. Explozia apare de la scantei electrice care aprind o serie de gaze explozive (eter, ciclopropan anestezic etc.).

Desi siguranta fata de durere sau rana ar implica situatii complet inofensive, practic nu exista astfel de cazuri. Problemele curente din spital se refera la o electrosecuritate dinamica, adica la detectarea hazardului si corectarea sa. Responsabilitatea apartine fiecarui angajat si pacient.

Mentenanta preventiva (testarea periodica dupa standardele in vigoare) si cea corectiva trebuie asigurate la nivel inalt, urmarindu-se si aspectele legale. Proiectarea si implementarea unui program de electrosecuritate in spital este o activitate complexa, care implica si cursuri continue pentru intreg personalul.

Electrosecuritatea este o tema fundamentala pentru proiectantul de electronica medicala si trebuie sa constituie o preocupare permanenta pentru utilizatorul clinic.

Zgomote, interferenta, masa electrica

Zgomotul aleator provine din insumarea unui numar foarte mare de microevenimente electrice intamplatoare care au loc chiar in etajele initiale ale amplificatorului biologic de masura. Agitatia termica a electronilor liberi produce un zgomot de banda larga la bornele rezistoarelor, neuniformitatea emisiei catodice genereaza suflul tuburilor electronice, zgomote 'colorate' de banda relativ ingusta sunt prezente in dipozitivele semiconductoare. Banda de frecventa restransa reduce importanta zgomotului aleator in masurarile biofizice, totusi proiectarea amplificatoarelor EEG sau chiar ECG trebuie sa acorde intotdeauna atentie componentelor sub 500 Hz ale zgomotului propriu dispozitivelor electronice active, zgomot de tip 1/f.

Interfata epiderm - electrod constituie o sursa de zgomot aleator de joasa frecventa specific masuratorilor bioelectrice, care poate fi tinut sub control printr-o alegere potrivita a electrozilor si a pastei de contact.

Desi efectele zgomotului aleator sunt resimtite mai ales la niveluri mici ale semnalelor utile, practica arata ca acesta influenteaza si rezultatele din faza de prelucrare, deci pentru niveluri consistent mai mari.

Zgomotul nealeator provine in primul rand de la conductorii retelei de alimentare prin cuplaj inductiv sau capacitiv.

In al doilea rand procese electrice exterioare pot influenta structura de masura pe calea retelei de distributie in c.a. (interferenta condusa) sau prin radiatie (interferenta radiata).

In al treilea rand, ceea ce este specific masuratorilor biofizice, semnalele bioelectrice nedorite culese la electrozi odata cu mesajul de interes sunt artefacte de natura biologica si pretind mijloace de discriminare. Astfel, informatia EMG apare adesea in inregistrarile EEG si poate fi partial indepartata prin filtrare. Uneori chiar activitatea spontana EEG poate fi privita ca un zgomot cvasi-aleator care ineaca potentialul cortical evocat de un stimul auditiv sau vizual. Pentru a extrage raspunsul cortical la stimul se utilizeaza in acest caz sumarea si medierea mai multor segmente de traseu EEG, consecutive stimularii repetate.

La niveluri mari de semnal, zgomotul nealeator este format din 'reziduuri' ale frecventelor auxiliare implicate in diverse procese de prelucrare si transmisie a datelor, ca frecvente purtatoare, frecvente de esantionare, impulsuri de ceas in sisteme digitale etc.

Interferenta desemneaza procesul prin care un semnal nedorit de investigator - zgomot sau, in limbaj medical, artefactul - se suprapune peste semnalul fiziologic util. Artefactul obisnuit in achizitia biosemnalelor este brumul provenit din reteaua de alimentare in curent alternativ de 50 Hz si poate fi redus folosind tehnici adecvate de ecranare si impamantare. Prin aceste metode structura sensibila este protejata la interferenta prin includerea intr-un volum protejat de o retea sau de o incinta metalica in contact galvanic de joasa rezistenta cu pamantul.

Interferenta condusa provine de la arcurile electrice de contact ale releelor de putere si de la motoarele cu colector, care la o anumita distanta provoaca si interferenta radianta. Regulatoarele de tensiune cu tiristoare sau triacuri sunt o alta sursa de interferenta, in acelasi timp condusa si radiata, ca si generatoarele de electrochirurgie. Mai rar, reteaua de alimentare poate introduce interferenta de radiofrecventa.

Stabilizatoarele rezolva, de regula, in aparatura electromedicala problemele ridicate de interferenta condusa, dar in anumite situatii se poate dovedi necesara instalarea unui filtru pe linia de alimentare, a carui forma simpla este un condensator de cca. 100 nF intre conductorul de faza si nul.

Interferenta radiata provine de la echipamentele care genereaza campuri electromagnetice. Din punctul de vedere al interferentei acestea sunt de doua tipuri:

campul de joasa impedanta, in esenta camp magnetic produs de curenti tari;

campul de inalta impedanta, in esenta camp electric asociat cu tensiunile mari.

Camp de joasa impedanta produc conductorii retelei de alimentare monofazata, transformatoarele, motoarele sau alternatoarele. Surse tipice de camp de inalta impedanta sunt: echipamentele de telecomunicatii, antenele radar si regulatoarele de tensiune.

Protectia impotriva campului de joasa impedanta de frecventa scazuta (sub 50 kHz) se realizeaza prin ecrane din materiale cu permeabilitate magnetica inalta, in timp ce ecranele de mare conductivitate neutralizeaza campul de inalta impedanta, indiferent de frecventa. Campul de joasa impedanta si inalta frecventa pretinde de asemenea ecrane de inalta conductivitate, deoarece curentii turbionari inchisi in ecran asociaza un camp magnetic opus campului inductor.

Masa de referinta si masa de protectie

Termenul de masa electrica (pe scurt "masa") are mai multe intelesuri.

Masa de referinta desemneaza punctul de potential convenit zero intr-un circuit electronic. Tehnologic, toti conductorii electrici trebuie legati la acest punct. Masa de referinta poate fi plusul sau minusul sursei de alimentare in curent continuu. In cazul mai multor surse, relatiile dintre acestea determina scara unica de potentiale in raport cu o masa comuna, de referinta, pentru intreg circuitul.

Experienta arata ca, in cazul instalatiilor cu multe blocuri functionale, factorul cel mai important in reducerea interferentei este realizarea unei mese comune de joasa impedanta intr-o gama larga de frecventa, care constituie masa de referinta a sistemului. Calificativul de joasa impedanta se refera la realizarea unei rezistente cat mai mici intre doua puncte oarecare fizic diferite ale circuitului de masa. Masa de referinta a sistemului se obtine, in general, folosind o retea de conductori de cupru de sectiune mare care interconecteaza masele individuale ale blocurilor functionale si ecranele. O solutie particulara, utilizata in instalatiile de prelucrare si transmisie a datelor, este suprafata (planul) de masa: o tabla intinsa sub podea la care sunt legati conductorii de la masele individuale ale echipamentelor.

Pentru aparatura moderna, dotata atat cu circuite liniare, cat si cu sisteme digitale, se impune cu strictete adoptarea a doua mese de referinta, una analogica si alta digitala. Unirea fizica a acestora se produce intr-un singur punct, in apropierea sursei de alimentare.

Sinonime cu masa de referinta sunt masa de lucru, masa de semnal, masa de masura, masa functionala, care evoca diferite aspecte ale referintei de potential.

Partile metalice tangibile ale aparatelor (carcase, console, sertare), in general toate partile metalice diferite de conductorii prevazuti drept cai de curent, formeaza masa de protectie si, conform principiului general de electrosecuritate in retelele de distributie cu neutrul la pamant, trebuie legate efectiv la pamant (prin conventie potentialul zero general).

Masa de referinta a sistemului si ecranele legate la ea asigura cai de impedanta redusa pentru drenarea curentilor de interferenta, adica asigura circulatia curentilor de interferenta pe alte cai conductoare decat cele transportand semnalul util. In schimb, sistemul mesei de protectie asigura drenarea la pamant a eventualilor curenti de defect (de scurtcircuit) pentru a mentine potentiale scazute in raza de atingere a operatorilor, adica asigura circulatia eventualilor curenti de defect pe alte cai decat cele incluzand corpul operatorului. O denumire echivalenta pentru masa de protectie este masa de siguranta.

Masa de referinta si masa de protectie sunt de regula interconectate galvanic pentru ca, pe de o parte, carcasa este un ecran care trebuie conectat la masa de referinta, iar pe de alta parte, este comod sa se utilizeze sasiul (legat de carcasa) pentru constructia mesei de referinta a sistemului. Exista totusi situatii si ratiuni particulare pentru care masa de referinta si masa de protectie sunt separate printr-o impedanta sau pentru care masa de referinta este flotanta in raport cu masa de protectie si pamantul.

In exprimare prescurtata, masa de referinta devine adesea masa iar masa de protectie - pamantul. Legatura galvanica uzuala intre masa si pamant a favorizat suprapunerea nejustificata a notiunilor de masa de referinta si masa de protectie. Aceasta deoarece nu trebuie uitat ca obiectivele mesei de referinta (scaderea interferentei) si cel al mesei de protectie (electrosecuritatea) sunt distincte. O proiectare corecta poate satisface, in cele mai multe cazuri, ambele obiective. Cand apare totusi un conflict, legarea la masa de protectie este prioritara.

Bucla de masa

Se intelege prin bucla de masa un circuit galvanic inchis care cuprinde conductoare aflate in principiu la potentialul mesei (identic cu potentialul pamantului in cazurile obisnuite). In acest circuit pot sa apara curenti de 50 Hz fie prin inductie, fie prin includerea in circuit a doua puncte de pamant intre care exista, totusi, o diferenta de potential alternativ. Bucla de masa se poate inchide prin pacient si poate crea probleme de brum (in general, zgomot de 50 Hz) si / sau probleme de electrosecuritate. Bucla de masa care ocoleste pacientul poate crea interferenta atunci cand cuprinde un ecran pentru semnal slab, legat la pamant in doua puncte distantate.

Alimentarea monofazata in curent alternativ, 220V / 50 Hz, cea mai importanta sursa de artefacte in masurarile biofizice, este prezenta in laborator sau clinica prin prizele cu trei contacte (Schuko): faza, nul de lucru si nul de protectie. Prezenta invizibila, cablurile de alimentare din pereti formeaza o redutabila sursa de brum prin cuplaj inductiv sau capacitiv cu structura de masura.

Cuplajul inductiv

Daca un cablu conductor de cativa metri se leaga intre bratul stang si piciorul drept al unui subiect caruia i se inregistreaza electrocardiograma, traseul ECG arata imediat prezenta brumului provocat de curentul alternativ care strabate subiectul. Aceasta fiindca bucla inchisa prin cablu si subiect joaca rolul infasurarii secundare a unui transformator al carui primar este reprezentat de conductorii retelei de alimentare sau infasurarile unor transformatoare insuficient ecranate.

In practica, o bucla de masa se formeaza cand subiectului i se ataseaza doi electrozi legati la conductori separati de pamant. In Figura 1, atunci cand amandoua aparatele sunt utilizate simultan la acelasi subiect, curentul din bucla de masa produce o cadere de tensiune intre diferite parti ale corpului, care apare ca brum pe monitorul ECG. Efectul buclei de masa poate fi combatut fie prin introducerea unei rezistente in serie cu unul din conductorii de pamant, astfel incat curentul buclei este redus la o valoare neglijabila, fie folosind un singur electrod de pamant, masura prin care subiectul este scos din circuitul buclei de masa.

Figura 9.1 Exemple de cuplaj inductiv

Cuplajul capacitiv

Vecinatatea subiectului cu conductorii retelei de alimentare creeaza un cuplaj capacitiv din cauza caruia prin pacient trece un curent mic, dar adesea suficient ca sa paraziteze suparator traseele inregistrarilor electrofiziologice. Figura 2 este o ilustrare in acest sens. Astfel, daca C = 3 pF, rezulta I_ef = 200 nA, E_ef = 20 mV, ceea ce produce o deviatie de brum pe ecranul monitorului ECG de cca. 1 cm.

Figura 9.2 Conditii de brum prin cuplaj capacitiv cu reteaua de alimentare

Eliminarea curentilor de cuplaj capacitiv se face prin preluarea lor de catre ecrane legate la pamant, care inconjoara fie linia de distributie de 50 Hz, fie insusi spatiul de inregistrare incluzand pacientul. In inregistrarile cu electrozi, un conductor de cel putin 1m trebuie prevazut intre electrod si intrarea amplificatorului, pentru a lasa pacientului o anumita mobilitate. Astfel, in conditii defavorabile, brumul este jenant chiar cu lungimea minima amintita si este necesara ecranarea firelor de la electrozi. Ecranele firelor lungi, vor fi legate la pamant intr-un singur punct pentru a evita pe cat posibil circulatia curentilor nedoriti de 50 Hz.

Punctul neutru. Pamant. Electrosecuritate in general

Reteaua de alimentare in curent alternativ de joasa tensiune, care distribuie curent trifazat 220V / 380V, incepe la infasurarea secundara, legata in stea, a transformatorului coborator care alimenteaza o zona urbana. Centrul stelei constituie neutrul transformatorului si este punctul de potential zero al sistemului trifazat de tensiune. La incarcarea simetrica a fazelor, capetele infasurarilor secundare se gasesc la U_f = 220 V fata de neutru (tensiuni de faza decalate cu 120^o) si la intre ele (tensiunile intre faze sau de linie). De la transformator pleaca cei trei conductori de faza notati cu R, S, T si conductorul 4, nulul de lucru, prin care curentul de asimetrie rezultat din incarcarea inegala a celor trei faze revine la neutrul transformatorului. Reteaua de distributie continua prin cabluri subterane sau aeriene si se termina sub forma trifazata (trei faze + nul de lucru) la consumatorul colectiv sau monofazata (faza + nul de lucru) la consumatorul individual, distributia avand in vedere dezideratul incarcarii simetrice a fazelor.

Pamantul este un conductor de volum, de rezistivitate in general mica, important din cauza relatiei de vecinatate inerenta cu liniile de transport si distributie a energiei electrice. Asadar, rezistivitatea pamantului nu poate fi, in general, neglijata. Totusi, datorita distributiei largi a liniilor de curent (sectiune foarte mare), rezistenta resimtita intre doua prize de pamant (electrozi metalici), la distanta nu prea mare, poate fi atribuita aproape in intregime rezistentei sumate a celor doua prize si nu pamantului propriu-zis. Atunci cand pamantul este strabatut de curenti mari (ca urmare a unui defect de izolatie la o faza a unei linii de transport de inalta tensiune de exemplu) rezistenta sa finita produce intre doua puncte de pe sol, chiar apropiate, tensiuni semnificative (tensiuni de pas).

In perspectiva de mai sus reprezentarea traditionala a pamantului ca referinta generala de potential, cu toate punctele la potential zero, va trebui deci corectata.

Relatia dintre neutru si pamant diferentiaza cele doua regimuri de distributie, si anume:

reteaua cu neutrul izolat (utilizata in cazuri speciale de alimentare);

reteaua cu neutrul la pamant (cazul normal in distributia de joasa tensiune, Figura 3)

Figura 9.3 Retea de alimentare cu neutrul la pamant

In cazul retelei cu neutrul la pamant un scurtcircuit la consumator trebuie sa declanseze dispozitivul de protectie (siguranta fuzibila sau alt intrerupator de circuit). Acest lucru este necesar atat pentru integritatea instalatiei electrice, cat si din considerente de electrosecuritate. Declansarea prompta a sigurantelor presupune un circuit de pamant cu impedanta suficient de scazuta. Circuitul de pamant de defineste incepand si sfarsind cu sursa de defect si cuprinde: impedanta carcasei si a conductorului de impamantare, calea de retur prin pamant la neutrul transformatorului, impedanta infasurarii de faza si impedanta conductorului de faza. Pe durata unui defect (scurtcircuit) monofazat, fazele 'sanatoase' raman practic la acelasi potential fata de pamant ca inainte defect, iar riscul unui om aflat pe sol care atinge accidental o faza nu se majoreaza, asa cum se intampla in cazul retelei cu neutrul izolat cand, in aceeasi situatie, omul este supus tensiunii intre faze. Electrosecuritatea sporita este principalul argument in favoarea distributiei de joasa tensiune cu neutrul la pamant.

Electrosecuritate generala

Rezistenta corpului uman care, prin accident, ajunge in contact cu elemente sub tensiune, este de cca. 10001200 W. Pentru curentul alternativ de 50 Hz sunt considerate nepericuloase valorile sub 10 mA, daca nu este afectat circuitul inimii. Intre 15 50 mA omul nu se mai poate desprinde din contactul cu elementul sub tensiune. Curentul devine cert periculos peste 50 mA, iar valori mai mari de 100 mA sunt considerate mortale. Pragurile de curent continuu sunt ceva mai inalte, limita de pericol cert fiind de 90 mA.

Tinand seama de cele de mai sus, se deduce ca valoarea maxima acceptabila temporar in cazul unui defect de izolatie pe o parte metalica tangibila este cca. 40V.

Protectia prin legarea la pamant (Figura 4) incearca sa previna cresterea tensiunii fata de pamant peste limita de pericol, prin legarea tuturor partilor metalice diferite de conductorii izolati prevazuti pentru alimentare la o priza de pamant. Prin aceasta se creeaza o cale de retur la neutrul transformatorului pentru curentii de scurtcircuit care apar in partile metalice in cazul unui defect de izolatie. In figura, tensiunea de atingere in caz de defect, U_a , este data de formula

U_a = U_f [R_p / (R₀ + R_p )] ,

unde U_f este tensiunea unei faze (220 V).

Figura 9.4 Protectie prin legare la pamant

Normele de electrosecuritate prevad in retelele cu neutrul la pamant aplicarea protectiei prin legarea la pamant numai in asociere cu un mijloc de deconectare rapida a echipamentului defect. Instalatia de legare la pamant (conductorii de protectie si priza de pamant) trebuie astfel dimensionata incat tensiunile de atingere indirecta si de pas sa nu depaseasca urmatoarele valori:

65 V pentru intarzieri de deconectare sub 3 s;

40 V cand timpul de deconectare in urma defectului depaseste 3 s.

Atingerea indirecta se refera la contactul cu un element metalic care a ajuns sub tensiune printr-un defect de izolatie (deosebita de atingerea directa a conductorilor aflati in mod normal sub tensiune).

Tensiunea de pas poate fi preluata la atingerea simultana a doua puncte de pe sol aflate la potentiale diferite. Acest lucru este posibil in jurul unei prize de pamant strabatuta de curenti mari de scurgere sau in jurul conductoarelor neizolate ale liniilor de inalta tensiune cazute la pamant.

Mijlocul de deconectare in caz de defect poate fi o siguranta fuzibila sau magnetica. Supradimensionarea sigurantei pune in pericol, prin intarzierea reactiei la defect, nu atat instalatia, cat securitatea utilizatorului.

Adesea defectul de izolatie nu este net, curentul de defect (de scurgere la pamant) nu atinge valoarea necesara deconectarii cu ajutorul sigurantei, iar carcasele echipamentelor defecte raman sub tensiune, situatie inacceptabila chiar daca tensiunea de atingere este sub limita de pericol de 40 V. Aceasta situatie este evitata, in protectia profesionala, prin inserierea unui intrerupator de retea declansat prin curenti de scurgere de nivel relativ mic, in conductorul de protectie. In acest caz depasirea unui curent de scurgere de 25 mA, de exemplu, deconecteaza automat in 1525 ms echipamentul defect.

Priza de pamant se realizeaza:

cu electrod sau cu un sistem de electrozi interconectati, care se ingroapa - priza artificiala;

elemente metalice ingropate ale constructiilor, conducte de apa etc. - prizele naturale.

Marii consumatori folosesc pentru protectie centuri de impamantare proprii, de joasa impedanta, de la care se ramifica reteaua interioara a conductorilor de protectie. Aceasta retea se termina la utilizator prin contactul 3, de protectie, al prizelor Schuko sau prin bare speciale de protectie. Alimentarea monofazata cu doua fire (faza si nul) utilizeaza pentru protectie prize naturale.

Standardele prevad o rezistenta a prizelor de pamant de maximum 4 W. Protectia prin legare la pamant are ca principal dezavantaj faptul ca intreruperea accidentala a conductorului de pamant anuleaza protectia, fara ca acest lucru sa poata fi sesizat inainte de verificarea instalatiei.

Protectia prin legare la nul utilizeaza drept conductor de protectie o legatura directa, separata, la neutrul transformatorului - nulul de protectie. Rezistenta circuitului de pamant parcurs de curentul de defect este considerabil mai mica decat in cazul impamantarii. In consecinta, un defect de izolatie faza-carcasa devine scurtcircuit monofazat care provoaca un raspuns rapid la sigurante. Consumatorii protejati prin acest sistem sunt alimentati prin cinci fire: trei faze + nul de lucru + nul de protectie (Figura 5).

Figura 9.5 Protectie prin legare la nulul de protectie

Cele aratate mai sus nu trebuie sa conduca automat la concluzia ca toate aparatele prevazute cu cabluri de alimentare cu trei conductoare, care se utilizeaza la prize normale cu doua contacte, prezinta pericol iminent de electrocutare. Riscul este in functie de conditiile punctuale. Acest risc poate fi considerat mic in incaperile uscate (umiditate sub 75%) dar este inacceptabil in bai (umiditate 75 97%), considerate incaperi periculoase din punct de vedere al electrosecuritatii.

Numeroase spatii din spitale si laboratoare fac parte din categoria incaperilor periculoase deoarece umiditatea, caldura sau procedurile medicale coboara rezistenta corpului si odata cu ea limita tolerabila pentru tensiunea de atingere. In aceste incaperi anumite diferente de potential intre diversele parti metalice, cu sau fara legatura cu pamantul, pot avea efecte periculoase. Solutia este egalizarea potentialelor prin interconectarea tuturor partilor metalice expuse si legarea lor la conductorul de protectie.

Electrosecuritatea in domeniul aparaturii electromedicale

Praguri de soc electric

Moartea prin electrocutare se produce, in majoritatea cazurilor, prin efectul curentului asupra inimii si numai in proportie minora prin arsuri sau paralizii ale muschilor respiratori. Pentru acelasi curent global preluat de un subiect, riscul depinde de proportia curentului care trece prin inima, determinata de punctele de contact.

Socul electric introduce fibrilatie ventriculara, o contractie rapida, dezordonata si de mica amploare care anihileaza functia de pompa a miocardului si produce in scurt timp moartea. Sensibilitatea la soc electric este inegal distribuita pe parcursul ciclului cardiac; perioada vulnerabila corespunde frontului anterior al undei T-ECG, cand un singur impuls de valoare relativ mica si durata sub 100 ms poate declansa fibrilatia. Pragul de soc electric letal are in vedere aceasta perioada si nu restul ciclului pentru care valorile periculoase ale curentului sunt cu doua ordine mai mari.

In Tabelul 1 sunt listate efectele socurilor de curent de la retea, intre bratele unui corp uman mediu. Similar, microsocuri de 10-100 mA direct pe inima pot cauza fibrilatie ventriculara si deces. Daca frecventa creste peste 1 kHz, nivelurile din tabel nu mai ameninta viata, cel mult pot determina arsuri (zona MHz).

Rezultatele investigatiilor experimentale sustin o limita de siguranta absoluta de cca. 300 mA la aplicarea curentului pe suprafata corpului, de exemplu intre maini.

Tabelul 9.1 Efectul socurilor de curent intre brate

Densitatea curentului la suprafata de contact este un factor demn de luat in consideratie in tabloul efectelor fiziologice; in timp ce 1 mA poate trece neremarcat la contacte largi, 0,3 mA provoaca cert senzatie la contacte mici si, influentat de acelasi factor, pragul de durere poate fluctua larg intre 1 si 10 mA.

Pragurile de soc electric la aplicarea interna sunt mult inferioare limitelor acceptate la aplicarea externa din motive legate de distributia diferita a liniilor de curent. Conductivitatea superioara a sangelui in raport cu tesuturile ofera curentului cai de rezistenta minima prin sistemul circulator si sporeste considerabil fractiunea din curentul total care strabate cordul. Pentru om, se considera ca un curent de 30 mA / 50 Hz aplicat prin cord poate produce fibrilatie, iar 15 mA ar reprezenta limita superioara de siguranta. In anumite conditii de risc crescut acest prag trebuie considerat 5 mA.

Electrozii interni reprezinta calea frecventa de acces pentru curentul letal. Utilizarea electrozilor interni fara atentie serioasa acordata curentilor de scurgere ridica riscul de accident in salile de operatie sau de cateterizare cardiaca, precum si in sectiile de terapie intensiva. Cateterele de acces pentru electrozi si traductoare sau cele umplute cu lichide conductoare, ca si sondele stimulatoare cardiace externe, reprezinta cai de curent cu adresa cardiaca directa. Rezistenta intre un electrod intern si suprafata pielii este de ordinul a 1000 W; in consecinta, un potential de numai 30 mV pe un cateter cu miez conductiv este suficient pentru a provoca fibrilatia ventriculara.

La utilizarea aparatelor electromedicale pot sa apara curenti de scurgere la pamant, prin carcasa aparatului sau prin pacient.

Curentul de scurgere la pamant este curentul nefunctional care trece de la partea legata la retea la conductorul de legare la pamant (de protectie), prin materialul electroizolant sau de-a lungul suprafetei sale.

Curentul nefunctional care trece de la partea energizata electric la carcasa si apoi la pamant sau la o alta parte a carcasei printr-o conexiune conductoare externa diferita de conductorul de legare la pamant, reprezinta curentul de scurgere prin carcasa.

Curentul de scurgere prin pacient este acel curent nefunctional care trece de la partile aparatului ce stabilesc contact intentionat cu pacientul (numite parte aplicata), prin pacient, la pamant; curentul de scurgere prin pacient se datoreaza aparitiei nedorite la pacient a unei tensiuni de la o sursa externa pacientului.

In afara de curentii de scurgere, prin pacient mai apar asa-numitii curenti auxiliari de pacient, adica acei curenti care strabat pacientul in timpul utilizarii normale, intre elemente ale partii aplicate si care nu sunt destinati sa produca un efect fiziologic (curenti de polarizare ai amplificatoarelor, curenti utilizati in pletismografie etc).

In functionarea unui aparat electric medical mai apar diferite tipuri de curenti:

curentul de defect este in principiu curentul maxim care poate aparea in caz de defect;

curentul de risc (c.r.) exista in functionarea normala a aparatului; cel general se refera la cazul cand aparatul nu are impamantare; mai exista c.r. de interconectare intre aparate, c.r. de sterilizare si c.r. asociat mediului de operare;

Valorile tuturor acestor curenti sunt prevazute de standardele internationale.

Conform valorilor din Tabelul 1, valoarea curentului de scurgere prin carcasa permis pentru echipament este de max. 5 mA. El are doua componente: rezistiva si capacitiva. Partea rezisitiva provine din rezistenta izolatiei cordonului de alimentare si a primarului transformatorului de retea. Tehnologia actuala conduce la valori ale acestui curent neglijabile. Componenta capacitiva se datoreaza capacitatii distribuite dintre firele de alimentare sau dintre firul "cald" si carcasa aparatului (Figura 6) [Car98]. De exemplu, 2500 pF la 50 Hz produce o reactanta capacitiva de 1 MW si un curent de scurgere de cca. 220 mA. Alte componente care produc curenti de scurgere sunt filtrele de RF (Figura 7), transformatoarele de putere si orice dispozitiv care are capacitate parazita.

Remediul pentru acest fenomen este firul de impamantare de siguranta (verde), prin care trec curentul de scurgere si curentii de defect.

Ca un exemplu, pentru o rezistenta de impamantare de 1 W, un curent de scurgere (la pamant) de 100 mA si rezistenta pacientului de 500 W, doar 0,2 mA trec prin acesta. Restul de 99,8 mA se scurge prin firul de impamantare, care este o rezistenta foarte mica in paralel cu pacientul. Figurile 8 si 9 arata un sistem normal, respectiv unul la care exista intreruperea impamantarii ([Car98]). In acest ultim caz toti curentii de scurgere trec prin pacient (!).

Reducerea curentului de scurgere al aparatului, monitorizarea continua a continuitatii firului de impamantare de siguranta si a prizei de pamant, adaugarea unui conductor in paralel cu acesta si folosirea unui sistem de alimentare izolat, care separa echipamentul, deci pacientul, de firul de masa neutru, toate acestea sunt masuri de prevenire a electrosocurilor sau a electrocutarii.

Figura 9.6 Curentul de scurgere capacitiv

Figura 9.7 Influenta filtrelor de RF

Figura 9.8 Calea normala a curentului de scurgere prin pacient

Figura 9.9 Calea curentului de scurgere, cu impamantarea intrerupta

Aparatele electromedicale pot fi alimentate fie de la o sursa de energie electrica externa, fie de la una interna, fie de la ambele tipuri. In toate aceste situatii trebuie luate masuri prin proiectare si constructie, astfel incat curentul auxiliar de pacient si cel de scurgere prin pacient sa fie mai mici decat limitele admise, corespunzatoare fiecarei categorii de utilizare a partii aplicate la pacient. Aceste limite admise au determinat ca si masurile de protectie impotriva electrocutarii sa fie diferite.

Astfel, aparatele electromedicale se clasifica in:

- Aparate de tip A, care nu au nici un fel de legatura electrica sau neelectrica cu pacientul (in general aparate de laborator);

- Aparate de tip B, pentru aplicatii medicale externe (la suprafata organismului) sau interne pe pacient, excluzand aplicarea directa pe cord; aceste aparate au o protectie corespunzatoare impotriva electrocutarii, in ceea ce priveste curentul de scurgere admis si siguranta legarii la pamant de protectie (daca exista);

- Aparate de tip BF sunt aparate de tip B avand o parte aplicata flotanta (izolata, de tip F). Prin parte aplicata flotanta (izolata) de tip F se intelege acea parte aplicata (totalitate a partilor aparatului, inclusiv cablul de pacient, destinate stabilirii unui contact intentionat cu pacientul), izolata de toate celelalte parti ale aparatului, astfel incat curentul de scurgere prin pacient admis in conditii de prim defect sa nu fie depasit atunci cand se aplica intre partea aplicata si pamant o tensiune de 1,1 ori mai mare decat cea mai mare valoare admisa a tensiunii de retea nominale. Prin conditii de prim defect se inteleg conditiile in care un singur mijloc de protectie impotriva pericolelor este defect sau cand apare o singura conditie anormala ce implica pericol;

- Aparate de tip C, care sunt destinate aplicatiilor pe cord, conform recomandarilor Comitetului Electrotehnic International (CEI); ele se construiesc numai ca aparate de tip CF, adica aparate avand o protectie sporita impotriva electrocutarii, in ceea ce priveste curentul de scurgere admisibil si avand o parte aplicata flotanta (izolata) de tip F, permitand aplicarea directa pe cord.

Clase de protectie

Siguranta in folosirea aparatelor electromedicale rezulta din concurenta a trei conditii esentiale: folosirea unor aparate de foarte buna calitate si sigure, indeplinirea tuturor indicatiilor privind instalatiile prescrise care asigura buna lor functionare si exploatarea lor competenta de catre un personal instruit si autorizat sa le manuiasca.

Aparatele electromedicale trebuie sa fie concepute, proiectate si realizate in conformitate cu normele tehnice si prescriptiile standardelor obligatorii in aceste activitati. Pentru protectia impotriva electrocutarii, cel putin partea legata la retea a aparatului trebuie dotata cu o masura de protectie suplimentara fata de izolatia de baza (izolatia necesara pentru asigurarea functionarii aparatului si care realizeaza in acelasi timp protectia contra atingerii intamplatoare a pieselor aflate sub tensiune), conform conditiilor pentru aparate de clasa I, II sau III de protectie (Figura 10).

In cazul aparatelor de clasa I de protectie, masura suplimentara de protectie consta din conectarea tuturor partilor conductoare accesibile la conductorul de protectie care face parte din instalatia electrica fixa de alimentare, astfel incat partile conductoare accesibile sa nu ajunga sub tensiune. In plus, aparatul poate avea blocuri lucrand la tensiune redusa medicala (24 Vef sau 50 Vcc) sau parti accesibile protejate cu impedanta de protectie.

In cazul aparatelor de clasa a II-a de protectie, masura suplimentara de protectie consta dintr-o izolatie suplimentara (fata de izolatia de baza) sau din intarirea izolatiei de baza, eliminandu-se astfel necesitatea legarii la pamantul de protectie si dependenta de conditiile de instalare.

In cazul aparatelor de clasa a III-a, masura suplimentara de protectie consta din alimentarea la tensiune redusa medicala si din imposibilitatea aparitiei unor tensiuni mai inalte decat tensiunea redusa medicala. Aceste aparate nu se recomanda sa fie prevazute cu mijloace pentru conectarea la un conductor de pamant de protectie.

Defectarea unui aparat electromedical reprezinta un pericol iminent pentru pacient. De aceea siguranta in functionare trebuie sa intreaca exigentele puse in general aparaturii electronice profesionale.

Figura 9.10 Clasele de protectie a aparatelor electronice

Electrosecuritate speciala

In sistemul pacient - aparat electromedical - personal medical exista doua niveluri de electrosecuritate:

nivelul obisnuit, pentru personalul medical care manevreaza aparatul electromedical, unde sunt valabile regulile de electrosecuritate generala;

nivelul special, pentru pacientul aflat in contact cu parti ale aparaturii electromedicale in scop diagnostic sau terapeutic.

Masurile de electrosecuritate speciale au drept scop sa impiedice depasirea pragurilor de curent sub care este asigurata securitatea pacientului, la utilizarea aparaturii electromedicale in conditii normale si in conditii de prim defect. Conditia de prim defect este situatia in care un singur mijloc de protectie este defect si obligatia proiectantului de a mentine securitatea pacientului chiar in aceste imprejurari constituie o rezerva de securitate de ordinul 1. Protectia poate avansa prin introducerea rezervei de securitate de ordinul 2.

In sistemul retea de curent alternativ - aparatura electromedicala - pacient, relatia retea - aparat poate implica doi sau trei conductori dupa prezenta sau absenta nulului de protectie, in acord cu clasa de protectie a aparatului.

Normele de electrosecuritate privind aparatura electromedicala utilizata in vecinatatea pacientului prevad ca partea legata la retea a aparatului sa fie dotata cu o masura de protectie suplimentara (rezerva de ordinul 1) fata de izolatia de baza a conductorilor prin care trece curentul si anume:

conectarea tuturor partilor conductoare accesibile la conductorul de protectie al retelei de alimentare pentru clasa I de protectie;

izolatia suplimentara sau intarirea izolatiei de baza cu eliminarea obligativitatii legarii la conductorul de protectie, pentru clasa a II-a de protectie;

alimentarea la tensiunea redusa medicala (24 V_ef c.a. sau 50 V c.c.) pentru clasa a III-a de protectie (Figura 10).

In privinta relatiei retea - aparatura electromedicala, standardele impun limite privind curentii de scurgere la pamant, prin izolatie sau prin carcasa, in conditii normale si de prim defect.

Partea aplicata poate fi un sistem de electrozi, un preamplificator atasat pacientului, un traductor in contact conductor sau neconductor cu pacientul. Legatura conductoare intre partea aplicata si aparatul de baza se face prin doua fire pentru cuplajul asimetric (fir de semnal + fir de masa) sau prin trei fire pentru cuplajul simetric (doua fire de semnal + un fir de masa).

Specificatiile B, BF si CF din norme stabilesc, printre altele, valori maxime admisibile pentru curentul de scurgere prin pacient la pamant si curentul auxiliar de pacient. Aceste valori limita se gasesc in apropierea pragurilor de soc electric deja discutate, iar exigentele cresc de la tipul B la tipul CF.

Izolatia de baza si masura suplimentara de protectie amintita mai sus ca rezerva de ordinul 1 au rolul de a impiedica trecerea unui curent de la partea aplicata, prin pacient, la pamant sau altfel spus, de a crea o izolatie suficient de mare intre pacientul legat la pamant si conductorul de faza al retelei. Accidentele care au survenit in timpul monitorizarii simultane cu cateterizarea sau cu stimularea cardiaca externa au demonstrat ca precautiile de mai sus nu sunt suficiente cand pacientul este inclus intr-o bucla de masa prin utilizarea simultana a doua sau mai multe instrumente electrice fara considerarea riscului de sistem.

Rezerva de securitate de ordinul 2 incearca sa previna accidentele asociate cu bucla de masa printr-unul din urmatoarele procedee:

limitarea curentului buclei prin introducerea unei rezistente mari in serie cu electrodul de masa,

eliminarea conectarii pacientului la masa sistemului de masura legata de regula la pamant. In acest caz un eventual potential periculos pe pacient are caile de scurgere la pamant blocate. Eliminarea legarii galvanice la pamant izoleaza total pacientul in raport cu reteaua de alimentare, completand izolarea fata de conductorul de faza, amintita mai sus.

Intrarea flotanta

Pacientul si partea aplicata alcatuiesc o structura mai mult sau mai putin conductoare in care nu sunt permisi decat curenti foarte slabi. In virtutea acestui fapt potentialul intr-un punct oarecare al structurii nu trebuie sa capete valoare mult diferita de cel dintr-un punct de potential zero obtinut prin legarea pamant. Legarea la pamant fixeaza asadar, cu o toleranta ingusta, potentialul pacientului si al partii aplicate in preajma nivelului zero. Daca legatura conductoare la pamant este desfiintata, structura amintita (devenita flotanta) capata libertatea de a atinge un potential mare fara ca restrictia interna de curenti slabi sa fie contrazisa.

Normele de electrosecuritate prevad urmatorul test: daca partea aplicata flotanta a unui aparat electromedical este pusa la un potential egal cu 110% din tensiunea maxima a retelei de c.a., curentul de scurgere la pamant nu trebuie sa depaseasca curentul de scurgere admis prin pacient in general. Testul precedent, simuleaza situatia in care un pacient avand o parte aplicata flotanta primeste accidental tensiunea retelei.

Preamplificatoarele flotante primesc energia de alimentare prin cuplaj magnetic si transmit informatia de la pacient prin cuplaj optic sau magnetic. Masa flotanta este referinta de potential valabila pentru circuitele electronice din structura izolata formata din pacient si partea aplicata flotanta (vezi Figura 10.d).

Ca rezerva de securitate de ordinul 2 poate fi privita de asemenea introducerea limitatoarelor de curent de scurgere in serie cu electrozii activi ai amplificatoarelor. Dioda cu efect de camp, utilizata uneori in acest scop, prezinta la curent sub 1 mA o rezistenta sub 1 kW, care creste considerabil cand curentul se apropie de 300 mA.

Probleme de electrosecuritate in salile de operatie

Interactiunea diferitelor aparate electrice conectate la acelasi pacient pretinde o abordare de sistem a conceptului de electrosecuritate. Din pacate acest lucru nu se bucura de o atentie speciala din partea producatorilor de electronica medicala, care privesc aparatele lor mai curand ca entitati separate. Ilustrarea riscurilor de sistem cu exemple concrete din sala de operatie poate reprezenta o pledoarie pentru abordarea sistemica a electrosecuritatii medicale.

Scurgerea de la transformatorul de putere. Devierea accidentala prin pacient a curentului de scurgere, al carui traseu normal este de la transformatorul de retea prin cuplaj capacitiv la carcasa si de aici la pamant, este o situatie cu risc major. Nivelul obisnuit al curentului de scurgere in aparatura electronica generala este de cca. 500 mA. Standardele privind aparatura electromedicala limiteaza curentii de scurgere la 100 mA (tipurile B si BF) si chiar la 10 mA (tipul CF). Riscul apare cand un aparat este folosit fara impamantare, adica se utilizeaza in mod incorect o priza normala in locul uneia de tip Schuko, pacientul constituind o cale nedorita de scurgere la pamant pentru un curent ce poate deveni letal in prezenta unui electrod intern. Astfel de accidente ar putea fi evitate daca pacientul ar fi izolat de pamant. Analiza electrosecuritatii nu poate conta insa pe un pacient izolat, ci trebuie sa ia in consideratie intotdeauna un contact, intentionat sau nu, intre pacient si un obiect legat la pamant.

Egalizarea. Daca intr-o sala de operatie se gasesc mai multe puncte de impamantare nu exista certitudinea ca toate apartin aceleiasi retele de impamantare si deci ca se gasesc la acelasi potential. De exemplu, intre pamantul de protectie furnizat de o priza Schuko si o conducta de apa poate exista o diferenta de potential alternativ de 1V care poate deveni periculoasa atunci cand apare intre electrozi si traductori legati la aceste puncte de pamant diferite. S-a vazut ca sunt suficienti 30mV intre un electrod intern si suprafata corpului pentru a declansa o fibrilatie. Evitarea unei astfel de manifestari este posibila prin egalizarea potentialelor tuturor prizelor de pamant existente intr-o incinta, prin interconectarea cu o bara de cupru cu diametrul de minimum 6 mm.

Curenti de defect. Un risc major pentru pacient il constituie aparitia unei diferente de potential intre doua puncte de pamant apartinand aceleiasi retele de impamantare, datorita unui curent de defect de 1A, insuficient sa declanseze siguranta, curent produs de o avarie undeva in spital. Chiar daca avaria este un scurtcircuit net, iar curentul de cateva zeci de amperi va actiona cert siguranta de faza, rastimpul de cateva sute de ms necesar decuplarii se poate dovedi foarte periculos cand coincide cu perioada vulnerabila a ciclului cardiac. Solutia este gruparea prizelor Schuko astfel incat sa existe un singur punct de pamant pentru toate obiectele metalice din vecinatatea pacientului.

Electrochirurgie. Un pericol specific este asociat electrochirurgiei, care utilizeaza curent de inalta frecventa (cca. 8kV / 2 MHz) pentru taierea sau cauterizarea tesuturilor. In utilizare normala acest curent, de ordinul amperilor, circula intre bisturiul electric si un electrod plat cu suprafata mare plasat sub sezutul pacientului (pamantul). Cand contactul de pamant este defectuos, devin competitive alte cai pentru scurgerea curentului spre pamant (vezi Figura 11). Asemenea cai sunt oferite de electrozii de monitorizare ECG care, la frecventa mare si tensiune inalta, prezinta o impedanta joasa fata de masa. Deoarece suprafata electrozilor ECG se gaseste fata de electrodul de sezut in raportul 1/100 1/1000, densitatea de curent va creste in proportie inversa si va determina incalzirea si arsura. Aceasta din urma va fi evitata daca impresia chirurgului ca bisturiul electric "taie greu' va duce la verificarea imediata a circuitului de pamant al instalatiei. Astfel, pentru o rezistenta electrod de sezut-pacient de 10 kW, puterea disipata de aceasta poate ajunge la sute de wati, ceea ce produce imediat arsura. Totusi, frecventa curentului de electrocauterizare este prea mare pentru a induce fibrilatia ventriculara.

Figura 9.11 Risc de arsura in cazul electrochirurgiei

Sisteme izolate electric

In incheiere prezentam cateva solutii suplimentare pentru scaderea riscului aparitiei unui curent periculos prin conductorul de impamantare, in caz de defect.

Un transformator de alimentare de izolatie (TAI) produce izolarea galvanica (directa) fata de masa neutra. (Un autotransformator nu produce sisteme izolate.) Astfel, efectele tensiunilor fluctuante sunt puternic reduse, contactele cu secundarul TAI sau cu impamantarea nefiind periculoase. De exemplu, tensiunea diferentiala intre un cateter si sasiu sau impamantare scade la 5 mV, deci curentul de pacient (500 W ca medie) este de cca. 10 mA. Un scurtcircuit intre firul cald izolat si impamantare nu va anclansa dispozitivul de siguranta (Figura 12).

Figura 9.12 Scurtcircuit cu transformatorul de izolatie. Apare doar curentul de scurgere

Figura 9.13 Transformator de izolatie cu detector de defect

Monitorul de izolatie (Figura 13) verifica in mod continuu impedanta fiecarei linii de alimentare catre pamant. Cazurile de soc electric sunt: prin atingerea unui fir de alimentare, a unei carcase metalice (fata de pamant) sau a doua sasiuri metalice. Ultimul caz este redat in Figura 14, unde chiar daca izolarea aparatului B cade, prin pacient trec doar 2 mA si restul de 998 mA prin monitorul de izolatie. Totusi, daca impamantarea este intrerupta, acest caz nu poate fi semnalat nici de alarma monitorului, nici de arderea sigurantei. Existenta unui conductor separat de impamantare in paralel cu firul 3 al cablului de alimentare, la care sa fie conectate toate sasiurile aparatelor, previne o astfel de situatie. Un sistem cu impamantare echipotentiala conecteaza toate suprafetele metalice la acelasi potential al firului suplimentar.

Figura 9.14 Caderea unei singure izolatii

Intreruptorul pentru impamantare defecta (Figura 15) este un comutator automat care deconecteaza alimentarea la cresterea nepermisa a curentului de scurgere. La egalitatea intre curentii pe firul cald si cel neutru nu exista curent de scurgere semnificativ (mai mare de 6 mA, de exemplu) si in bobina toroidala nu apare flux magnetic, releul ramanand inchis. Acest dispozitiv trebuie folosit cu discernamant, pentru a nu intrerupe functionarea unor aparate vitale pacientului.

Cablarea de putere, distributia energiei si sistemul de impamantare sunt esentiale in asigurarea electrosecuritatii. Alimentarea trebuie sa se faca de la o cutie de jonctiune centrala, iar conductoarele de alimentare si impamantare trebuie sa aiba aproape aceeasi lungime (< 5 m pentru impamantare). Figurile 16 si 17 indica sisteme cu intrare izolata, cu impamantare de referinta langa pat, pentru reducerea tensiunilor dintre sasiuri, respectiv cu impamantare distribuita.

Figura 9.15 Intreruptor pentru impamantare defecta

Figura 9.16 Cablare cu impamantare la pat

Figura 9.17 Cablare cu impamantare distribuita

Utilizarea aparatelor electromedicale impune competenta ridicata din partea tuturor celor implicati, direct sau indirect, in actul medical. Raspunderea pentru utilizarea acestor aparate va cadea in primul rand asupra bioinginerilor specializati in instrumentatie medicala (ingineri clinicieni).