ELECTRONICĂ MEDICALĂ an IV – Prof.dr.ing. Hariton Costin

61

9 ELECTROSECURITATEA ÎN APARATURA MEDICALĂ

• Majoritatea persoanelor nu percep un curent de 300 μA care este aplicat la suprafaţa corpului, între mâini. • Un curent de 30 μA (50 Hz) aplicat pe cord poate produce fibrilaţie ventriculară. • Valoarea limită maximă tolerabilă a tensiunii pe inimă este de circa 10 μV iar a curentului prin muşchiul

cardiac de 10-15 μA (valori efective), f = 0...1 KHz. La 100 KHz, Iadm = 1 mA. • Electrosecuritatea este un concept definit în sens larg ca starea de risc minim la utilizarea aparaturii

electromedicale în vecinătatea omului. Ea se referă la conţinutul şi limitarea şocurilor electrice aleatoare, exploziilor, incendiilor sau oricăror stricăciuni (electrice) provocate pacientului, aparaturii sau clădirilor.

• Şocurile electrice asupra factorului uman pot fi macroşocuri (mA) sau microşocuri (μA), în funcţie de intensitatea curentului care trece între braţe, incluzând şi inima.

• Mentenanţa preventivă (testarea periodică după standardele în vigoare) şi cea corectivă. Aspectele legale. Proiectarea şi implementarea unui program de electrosecuritate în spital este o activitate complexă.

9.1 Zgomote, interferenţă, masă electrică Zgomotul aleator: Agitaţia termică a electronilor liberi produce un zgomot de bandă largă la bornele rezistoarelor, neuniformitatea emisiei catodice generează suflul tuburilor electronice, zgomotele "colorate" de bandă relativ îngustă în disp. semiconductoare. Banda de frecvenţă restrânsă reduce importanţa zgomotului aleator în măsurările biofizice; proiectarea amplificatoarelor EEG sau ECG trebuie să acorde întotdeauna atenţie componentelor sub 500 Hz ale zgomotului propriu dispozitivelor electronice active, zgomot de tip 1/f. Interfaţa epiderm - electrod constituie o sursă de zgomot aleator de joasă frecvenţă specific măsurătorilor bioelectrice. Deşi efectele zgomotului aleator sunt resimţite mai ales la niveluri mici ale semnalelor utile, acesta influenţează şi rezultatele din faza de prelucrare, deci pentru niveluri consistent mai mari. Zgomotul nealeator: (1) de la conductorii reţelei de alimentare prin cuplaj inductiv sau capacitiv; (2) procese electrice exterioare pot influenţa structura de măsurare pe calea reţelei de distribuţie în c.a. (interferenţa condusă) sau prin radiaţie (interferenţa radiată); (3) semnalele bioelectrice nedorite sunt artefacte de natură biologică şi pretind mijloace de discriminare, de ex. EMG pe înregistrările EEG sau ECG, EEG privită ca un zgomot cvasi-aleator care îneacă potenţialul cortical evocat de un stimul auditiv sau vizual. La niveluri mari de semnal, zgomotul nealeator este dat de "reziduuri" ale frecvenţelor implicate în diverse prelucrări şi transmisii ale datelor: frecvenţe purtătoare, frecvenţe de eşantionare, impulsuri de ceas etc. Interferenţa : procesul prin care un semnal nedorit - zgomot sau, în limbaj medical, artefactul - se suprapune peste biosemnalul util. Artefactul obişnuit în achiziţia biosemnalelor: brumul provenit din reţeaua de alimentare în curent alternativ de 50 Hz. Structura sensibilă este protejată la interferenţă prin includerea într-un volum protejat de o reţea sau de o incintă metalică în contact galvanic de joasă rezistenţă cu pământul. Interferenţa condusă provine de la arcurile electrice de contact ale releelor de putere şi de la motoarele cu colector, care la o anumită distanţă provoacă şi interferenţă radiată. Regulatoarele de tensiune cu tiristoare sau triacuri, generatoarele de electrochirurgie sunt surse de interferenţă, în acelaşi timp condusă şi radiată. Mai rar, reţeaua de alimentare poate introduce interferenţă de radiofrecvenţă. Stabilizatoarele rezolvă, de regulă, problemele date de interferenţa condusă; la fel, instalarea unui filtru pe linia de alimentare (un condensator de cca. 100 nF între fază şi nul). Interferenţa radiată provine de la echipamente care generează câmpuri electromagnetice. Din punctul de vedere al interferenţei acestea sunt de două tipuri: (a) câmpul de joasă impedanţă, în esenţă câmp magnetic produs de curenţi tari; (b) câmpul de înaltă impedanţă, în esenţă câmp electric asociat cu tensiunile mari. Câmp de joasă impedanţă produc conductorii reţelei de alimentare monofazată, transformatoarele, motoarele sau alternatoarele. Surse tipice de câmp de înaltă impedanţă sunt: echipamentele de telecomunicaţii, antenele radar şi regulatoarele de tensiune. Protecţia împotriva câmpului de joasă Z de frecvenţă scăzută (sub 50 kHz) se realizează prin ecrane din materiale cu permeabilitate magnetică înaltă. Ecranele de mare conductivitate neutralizează câmpul de înaltă Z, indiferent de frecvenţă. Câmpul de joasă Z şi înaltă frecvenţă pretinde ecrane de mare conductivitate, căci curenţii turbionari închişi în ecran dau un câmp magnetic opus câmpului inductor.

Masa de referinţă şi masa de protecţie

• Masa de referinţă desemnează punctul de potenţial convenit zero într-un circuit electronic. Tehnologic, toţi conductorii electrici trebuie legaţi la acest punct. Practic, ea poate fi (+) sau (−) sursei de alimentare în c.c.

În cazul instalaţiilor cu multe blocuri funcţionale, factorul cel mai important în reducerea interferenţei este realizarea unei mese comune de joasă impedanţă într-o gamă largă de frecvenţă, care constituie masa de

ELECTRONICĂ MEDICALĂ an IV – Prof.dr.ing. Hariton Costin

62

referinţă a sistemului. Calificativul de „joasă impedanţă” se referă la realizarea unei rezistenţe cât mai mici între două puncte oarecare fizic diferite ale circuitului de masă. Masa de referinţă a sistemului se obţine, în general, folosind o reţea de conductori de cupru de secţiune mare care interconectează masele individuale ale blocurilor funcţionale şi ecranele. O soluţie eficientă este suprafaţa (planul) de masă: o tablă întinsă sub podea la care sunt legaţi conductorii de la mesele electrice individuale ale echipamentelor. Pentru aparatura dotată cu circuite liniare şi cu sisteme digitale se impune cu stricteţe adoptarea a două mese de referinţă, una analogică şi alta digitală. Unirea fizică a acestora se produce într-un singur punct, în apropierea sursei de alimentare (de obicei în schemă „stelat”). Sinonime cu masa de referinţă sunt masa de lucru, masa de semnal, masa de măsură, masa funcţională. • Părţile metalice tangibile ale aparatelor (carcase, console, sertare), în general toate părţile metalice diferite

de conductorii prevăzuţi drept căi de curent, formează masa de protecţie (de siguranţă). Cf. principiului general de electrosecuritate în reţelele de distribuţie cu neutrul la pământ, trebuie legată efectiv la pământ.

Masa de referinţă a sistemului şi ecranele legate la ea asigură căi de impedanţă redusă pentru drenarea curenţilor de interferenţă. Masa de protecţie asigură drenarea la pământ a eventualilor curenţi de defect (de scurtcircuit) şi menţine potenţiale scăzute în raza de acţiune a operatorilor. Masa de referinţă şi cea de protecţie sunt de regulă interconectate galvanic deoarece: (1) carcasa este un ecran care trebuie conectat la masa de referinţă; (2) este comod să se utilizeze şasiul (legat de carcasă) pentru construcţia mesei de referinţă a sistemului. Sunt situaţii în care cele două mese sunt separate printr-o impedanţă sau pentru care masa de referinţă este flotantă în raport cu masa de protecţie şi pământul (ECG). Prescurtat, masa de referinţă este masa iar masa de protecţie - pământul. O proiectare corectă poate satisface ambele obiective. Când apare totuşi un conflict, legarea la masa de protecţie este prioritară.

Bucla de masă Se înţelege prin buclă de masă un circuit galvanic închis care cuprinde conductoare aflate în principiu la potenţialul mesei. În circuit pot să apară curenţi de 50 Hz fie prin inducţie, fie prin includerea în circuit a două puncte de pământ între care există, totuşi, o diferenţă de potenţial alternativ. Bucla de masă se poate închide prin pacient şi poate crea probleme de brum şi / sau probleme de electrosecuritate. Alimentarea monofazată în curent alternativ, 220V / 50 Hz, cea mai importantă sursă de artefacte în măsurările biofizice, este prezentă în laborator sau clinică prin prizele cu trei contacte (Schuko): fază, nul de lucru şi nul de protecţie. Cablurile de alimentare din pereţi formează o reală sursă de brum prin cuplaj inductiv sau capacitiv cu structura de măsură.

Fig. 9.1 Exemple de cuplaj inductiv Fig. 9.2 Condiţii de brum prin cuplaj capacitiv cu reţ. de alim.

Cuplajul inductiv

Exp.: un cablu conductor de câţiva metri se leagă între braţul stâng şi piciorul drept al unui subiect căruia i se înregistrează ECG; apare brum dat de c. a. care străbate subiectul. Bucla închisă prin cablu şi subiect joacă rolul înfăşurării sec. a unui transf. al cărui primar este dat de conductorii reţelei de alimentare sau înfăşurările unor transf. insuficient ecranate. Practic, o buclă de masă se formează când subiectului i se ataşează doi electrozi legaţi la conductori separaţi de pământ. În Fig. 9.1, atunci când aparatele sunt utilizate simultan la acelaşi subiect, curentul din bucla de masă dă o cădere de tens. între diferite părţi ale corpului, care apare ca brum pe monitorul ECG. Efectul buclei de masă poate fi combătut fie prin înserierea unei R cu unul din conductorii de pământ, fie folosind un singur electrod de pământ, subiectul fiind scos din circuitul b. de masă.

ELECTRONICĂ MEDICALĂ an IV – Prof.dr.ing. Hariton Costin

63

Cuplajul capacitiv Vecinătatea subiect - conductorii reţelei de alim. creează un cuplaj capacitiv ce produce prin pacient un curent mic, adesea suficient ca să paraziteze traseele biosemnalelor (Fig. 9.2). Dacă C = 3 pF, rezultă Ief = 200 nA, Eef = 20 μV, ceea ce produce o deviaţie de brum pe ecranul monitorului ECG de cca. 1 cm. Curenţii de cuplaj capacitiv sunt preluaţi de ecrane legate la pământ, care înconjoară fie linia de distribuţie de 50 Hz, fie însuşi spaţiul de înregistrare incluzând pacientul. În înregistrările cu electrozi de lungime min. 1m, brumul necesită ecranarea electrozilor. Ecranele firelor lungi sunt legate la pământ într-un singur punct. 9.2 Punctul neutru. Pământ. Electrosecuritate în general Alimentarea în c. a. de joasă tensiune, care distribuie curent trifazat 220V / 380V, începe la înfăşurarea secundară, legată în stea, a transf. coborâtor care alimentează o zonă urbană. Centrul stelei constituie neutrul transformatorului şi este punctul de potenţial zero al sistemului trifazat de tensiune. La încărcarea simetrică a fazelor, capetele înfăşurărilor secundare se găsesc la Uf = 220 V faţă de neutru şi la

V380U3U fl =⋅= între ele (tensiunile între faze sau de linie). De la transf. pleacă cei trei conductori de fază notaţi cu R, S, T şi conductorul 4, nulul de lucru, prin care curentul de asimetrie rezultat din încărcarea inegală a celor trei faze revine la neutrul transf. Reţeaua de distribuţie continuă prin cabluri subterane sau aeriene şi se termină sub formă trifazată (trei faze + nul de lucru) sau monofazată (fază + nul de lucru).

Pământul este un conductor de volum, de rezistivitate în general mică, vecin cu liniile de transport şi distribuţie ale energiei electrice. Datorită distribuţiei largi a liniilor de curent (secţiune foarte mare), rezistenţa între două prize de pământ (electrozi metalici), la distanţă nu prea mare, poate fi atribuită aproape în întregime rezistenţei sumate a celor două prize şi nu pământului propriu-zis. Dacă pământul este străbătut de curenţi mari (ca urmare a unui defect de izolaţie la o fază a unei linii de înaltă tensiune de exemplu) rezistenţa sa finită produce între două puncte de pe sol, chiar apropiate, tensiuni semnificative (tensiuni de pas). Deci reprezentarea tradiţională a pământului ca referinţă de potenţial zero trebuie corectată. Relaţia dintre neutru şi pământ diferenţiază cele două regimuri de distribuţie, şi anume: a) reţeaua cu neutrul izolat (utilizată în cazuri speciale de alimentare); b) reţeaua cu neutrul la pământ (cazul normal în distribuţia de joasă tensiune, Figura 9.3)

Fig. 9.3 Reţea de alimentare cu neutrul la pământ Fig. 9.4 Protecţie prin legare la pământ

În cazul (b) un scurtcircuit la consumator trebuie să declanşeze dispozitivul de protecţie (siguranţa fuzibilă sau alt întrerupător de circuit), ceea ce presupune un circuit de pământ cu impedanţă suficient de scăzută. Circuitul de pământ se defineşte începând şi sfârşind cu sursa de defect şi cuprinde: impedanţa carcasei şi a conductorului de împământare, calea de retur prin pământ la neutrul transf., impedanţa înfăşurării de fază şi impedanţa conductorului de fază. Pe durata unui defect (scurtcircuit) monofazat, fazele "sănătoase" rămân practic la acelaşi potenţial faţă de pământ ca înainte defect, iar riscul unui om aflat pe sol care atinge accidental o fază nu se majorează. În cazul reţelei cu neutrul izolat, în aceeaşi situaţie, omul este supus tensiunii între faze (mai mare). Electrosecuritatea sporită este principalul argument în favoarea distribuţiei de joasă tensiune cu neutrul la pământ. Electrosecuritate generală

Rezistenţa corpului uman care, prin accident, ajunge în contact cu elemente sub tensiune, este de cca.

ELECTRONICĂ MEDICALĂ an IV – Prof.dr.ing. Hariton Costin

64

1000÷1200 Ω. Pentru c. a. de 50 Hz sunt considerate nepericuloase valorile sub 10 mA, dacă nu este afectat circuitul inimii. Între 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 înalte, limita de pericol cert fiind de 90 mA. Valoarea maximă acceptabilă temporar în cazul unui defect de izolaţie pe o parte metalică tangibilă este cca. 40V. Protecţia prin legarea la pământ (Fig. 9.4) previne creşterea tensiunii faţă de pământ peste limita de pericol, prin legarea tuturor părţilor metalice diferite de conductorii izolaţi de alimentare la o priză de pământ. Se crează astfel o cale de retur la neutrul transf. pentru curenţii de scurtcircuit care apar în părţile metalice în cazul unui defect de izolaţie. În figură, tensiunea de atingere în caz de defect, Ua , este dată de formula

Ua = Uf [Rp / (R0 + Rp )] , unde Uf este tensiunea unei faze (220 V).

Normele de electrosecuritate prevăd în reţelele cu neutrul la pământ aplicarea protecţiei prin legarea la pământ numai în asociere cu un mijloc de deconectare rapidă a echipamentului defect. Instalaţia de legare la pământ (conductorii de protecţie şi priza de pământ) trebuie astfel dimensionată încât tensiunile de atingere indirectă şi de pas să nu depăşească următoarele valori:

• 65 V pentru întârzieri de deconectare sub 3 s; • 40 V când timpul de deconectare în urma defectului depăşeşte 3 s.

Atingerea indirectă se referă la contactul cu un element metalic care a ajuns sub tensiune printr-un defect de izolaţie. Tensiunea de pas poate fi preluată la atingerea simultană a două puncte de pe sol aflate la potenţiale diferite, posibil în jurul unei prize de pământ străbătută de curenţi mari de scurgere sau în jurul conductoarelor neizolate ale liniilor de înaltă tensiune căzute la pământ. Mijlocul de deconectare în caz de defect poate fi o siguranţă fuzibilă sau magnetică. Supradimensionarea siguranţei pune în pericol, prin întârzierea reacţiei la defect, nu atât instalaţia, cât securitatea utilizatorului. Adesea defectul de izolaţie nu este net, curentul de defect (de scurgere la pământ) nu atinge valoarea necesară deconectării cu ajutorul siguranţei. Priza de pământ se realizează:

• cu electrod sau cu un sistem de electrozi interconectaţi, care se îngroapă - priză artificială; • elemente metalice îngropate ale construcţiilor, conducte de apă etc. - prizele naturale.

Standardele prevăd o rezistenţă a prizelor de pământ de maximum 4 Ω. Protecţia prin legare la pământ are ca principal dezavantaj faptul că întreruperea accidentală a conductorului de pământ anulează protecţia, fără ca acest lucru să poată fi sesizat înainte de verificarea instalaţiei. Protecţia prin legare la nul utilizează drept conductor de protecţie o legătură directă, separată, la neutrul transf. - nulul de protecţie. Consumatorii protejaţi prin acest sistem sunt alimentaţi prin cinci fire: trei faze + nul de lucru + nul de protecţie (Figura 9.5).

Figura 9.5 Protecţie prin legare la nulul de protecţie

Numeroase spaţii din spitale şi laboratoare fac parte din categoria încăperilor periculoase deoarece umiditatea, căldura sau procedurile medicale coboară rezistenţa corpului şi odată cu ea limita tolerabilă pentru tensiunea de atingere. În aceste încăperi anumite diferenţe de potenţial între diversele părţi metalice, cu sau fără legătură cu pământul, pot avea efecte periculoase. Soluţia este egalizarea potenţialelor prin interconectarea tuturor părţilor metalice expuse şi legarea lor la conductorul de protecţie.

ELECTRONICĂ MEDICALĂ an IV – Prof.dr.ing. Hariton Costin

65

9.3 Electrosecuritatea în domeniul aparaturii electromedicale Praguri de şoc electric

Şocul electric introduce fibrilaţie ventriculară. Sensibilitatea la şoc electric este inegal distribuită pe parcursul ciclului cardiac: perioada vulnerabilă corespunde frontului anterior al undei T-ECG, când un singur impuls de valoare relativ mică şi durată sub 100 ms poate declanşa fibrilaţia. Pragul de şoc electric letal se referă la această perioadă şi nu restul ciclului pentru care val. periculoase ale curentului sunt cu două ordine mai mari. În Tabelul 9.1 sunt listate efectele şocurilor de curent de la reţea, între braţele unui corp uman mediu. Similar, microşocuri de 10-100 μA direct pe inimă pot cauza fibrilaţie ventriculară şi deces. Dacă frecvenţa creşte peste 1 kHz, nivelurile din tabel nu mai ameninţă viaţa, cel mult pot determina arsuri (zona MHz). Rezultatele investigaţiilor experimentale susţin o limită de siguranţă absolută de cca. 300 μA la aplicarea curentului pe suprafaţa corpului, de exemplu între mâini.

Tabelul 9.1 Efectul şocurilor de curent între braţe

I (mA); t =1 s Efect 1 Pragul percepţiei 5 Val. max. de curent inofensiv 10 - 20 Pragul contracţiei musculare 50 Durere. Leşin, răni posibile. 100 - 300 Începutul fibrilaţiei ventriculare. Centrul respirator

rămâne intact. 6 A Contracţie puternică a inimii. Paralizie

respiratorie temporară. Ardere, dacă densitatea de curent este mare.

Densitatea curentului la suprafaţa de contact este un factor demn de luat în consideraţie în tabloul efectelor fiziologice; în timp ce 1 mA poate trece neremarcat la contacte largi, 0,3 mA provoacă cert senzaţie la contacte mici şi, influenţat de acelaşi factor, pragul de durere poate fluctua larg între 1 şi 10 mA. Conductivitatea superioară a sângelui în raport cu ţesuturile oferă curentului căi de rezistenţă minimă prin sistemul circulator şi sporeşte considerabil fracţiunea din curentul total care străbate cordul. Pentru om, se consideră că un curent de 30 μA / 50 Hz aplicat prin cord poate produce fibrilaţie, iar 15 μA ar reprezenta limita superioară de siguranţă. În anumite condiţii de risc crescut acest prag trebuie considerat 5 μA. Electrozii interni reprezintă calea frecventă de acces pentru curentul letal. Cateterele de acces pentru electrozi şi traductoare sau cele umplute cu lichide conductoare, ca şi sondele stimulatoare cardiace externe, reprezintă căi de curent cu adresă cardiacă directă. Rezistenţa între un electrod intern şi suprafaţa pielii fiind de cca. 1000 Ω, un potenţial de numai 30 mV pe un cateter cu miez conductiv este suficient pentru a provoca fibrilaţia ventriculară. La utilizarea aparatelor electromedicale pot să apară curenţi de scurgere la pământ, prin carcasa aparatului sau prin pacient. Curentul de scurgere la pământ este curentul nefuncţional care trece de la partea legată la reţea la conductorul de legare la pământ (de protecţie), prin materialul electroizolant sau de-a lungul suprafeţei sale. Curentul nefuncţional care trece de la partea energizată electric la carcasă şi apoi la pământ sau la o altă parte a carcasei printr-o conexiune conductoare externă diferită de conductorul de legare la pământ, reprezintă curentul de scurgere prin carcasă. Curentul de scurgere prin pacient este acel curent nefuncţional care trece de la părţile aparatului ce stabilesc contact intenţionat cu pacientul (numite „parte aplicată”), prin pacient, la pământ; acest curent se datorează apariţiei nedorite la pacient a unei tensiuni de la o sursă externă pacientului. În afară de curenţii de scurgere, prin pacient mai apar aşa-numiţii curenţi auxiliari de pacient, adică acei curenţi care străbat pacientul în timpul utilizării normale şi care nu sunt destinaţi să producă un efect fiziologic (curenţi de polarizare ai amplificatoarelor, curenţi utilizaţi în pletismografie etc). În funcţionarea unui aparat electric medical mai apar diferite tipuri de curenţi: (i) curentul de defect este în principiu curentul maxim care poate apărea în caz de defect; (ii) curentul de risc (c.r.) există în funcţionarea normală a aparatului; cel general se referă la cazul când

aparatul nu are împământare; mai există c.r. de interconectare între aparate, c.r. de sterilizare şi c.r. asociat mediului de operare; valorile tuturor acestor curenţi sunt prevăzute de standardele internaţionale.

Conform valorilor din Tabelul 9.1, valoarea curentului de scurgere prin carcasă permis pentru echipament este de max. 5 mA. El are două componente: rezistivă şi capacitivă. Partea rezisitivă provine din rezistenţa izolaţiei cordonului de alimentare şi a primarului transf. de reţea. Tehnologia actuală conduce la valori ale

ELECTRONICĂ MEDICALĂ an IV – Prof.dr.ing. Hariton Costin

66

acestui curent neglijabile. Componenta capacitivă se datorează capacităţii distribuite dintre firele de alimentare sau dintre firul “cald” şi carcasa aparatului (Fig. 9.6). De exemplu, 2500 pF la 50 Hz produce o reactanţă capacitivă de 1 MΩ şi un curent de scurgere de cca. 220 μA. Alte componente care produc curenţi de scurgere sunt filtrele de RF (Fig. 9.7), transf. de putere şi orice dispozitiv care are capacitate parazită. Remediul pentru acest fenomen este firul de împământare de siguranţă (verde), prin care trec curentul de scurgere şi curenţii de defect. De ex., pentru o R de împământare de 1 Ω, un curent de scurgere (la pământ) de 100 μA şi rezistenţa pacientului de 500 Ω, doar 0,2 μA trec prin acesta. Restul de 99,8 μA se scurge prin firul de împământare, (o rezistenţă foarte mică în paralel cu pacientul). Fig. 9.8 şi 9.9 arată un sistem normal, respectiv unul la care există întreruperea împământării. În acest ultim caz toţi curenţii de scurgere trec prin pacient (!). Măsuri de prevenire a electroşocurilor sau a electrocutării: reducerea curentului de scurgere al aparatului, monitorizarea continuă a continuităţii firului de împământare şi a prizei de pământ, adăugarea unui conductor în paralel cu împământarea şi folosirea unui sistem de alimentare izolat, care separă echipamentul, deci pacientul, de firul de masă neutru.

Figura 9.6 Curentul de scurgere capacitiv

Figura 9.7 Influenţa filtrelor de RF

Figura 9.8 Calea normală a curentului de scurgere prin pacient

ELECTRONICĂ MEDICALĂ an IV – Prof.dr.ing. Hariton Costin

67

Figura 9.9 Calea curentului de scurgere, cu împământarea întreruptă

Aparatele electromedicale pot fi alimentate fie de la o sursă de energie externă, fie de la una internă, fie de la ambele tipuri. Aparatele electromedicale se clasifică în: - Aparate de tip A: nu au nici un fel de legătură cu pacientul (în general aparate de laborator); - Aparate de tip B, pentru aplicaţii medicale externe (la suprafaţa organismului) sau interne pe pacient, excluzând aplicarea directă pe cord; - Aparate de tip BF: aparate de tip B având o parte aplicată flotantă (izolată, de tip F), acea parte aplicată, izolată de toate celelalte părţi ale aparatului, astfel încât curentul de scurgere prin pacient admis în condiţii de prim defect să nu fie depăşit atunci când se aplică între partea aplicată şi pământ o tensiune de 1,1 ori mai mare decât cea mai mare valoare admisă a tensiunii de reţea nominale. Condiţii de prim defect sunt condiţiile în care un singur mijloc de protecţie împotriva pericolelor este defect sau când apare o singură condiţie anormală ce implică pericol; - Aparate de tip C: sunt destinate aplicaţiilor pe cord, conform recomandărilor CEI; ele se construiesc numai ca aparate de tip CF, în ceea ce priveşte curentul de scurgere admisibil şi având o parte aplicată flotantă (izolată) de tip F, permiţând aplicarea directă pe cord. Clase de protecţie

Pentru protecţia împotriva electrocutării, cel puţin partea legată la reţea a aparatului trebuie dotată cu o măsură de protecţie suplimentară faţă de izolaţia de bază conform condiţiilor pentru aparate de clasă I, II sau III de protecţie (Figura 9.10). În cazul aparatelor de clasă I de protecţie, măsura suplimentară constă din conectarea tuturor părţilor conductoare accesibile la conductorul de protecţie care face parte din instalaţia electrică fixă de alimentare, astfel încât părţile conductoare accesibile să nu ajungă sub tensiune. Aparatul poate avea blocuri lucrând la tensiune redusă medicală (24 Vef sau 50 Vcc) sau părţi accesibile protejate cu impedanţă de protecţie. În cazul aparatelor de clasa a II-a de protecţie, măsura suplimentară de protecţie constă dintr-o izolaţie suplimentară (faţă de izolaţia de bază) sau din întărirea izolaţiei de bază, eliminându-se astfel necesitatea legării la pământul de protecţie şi dependenţa de condiţiile de instalare. În cazul aparatelor de clasa a III-a, măsura suplimentară constă din alimentarea la tensiune redusă medicală şi din imposibilitatea apariţiei unor tensiuni mai înalte decât tensiunea redusă medicală. Aceste aparate nu se recomandă să aibă mijloace pentru conectarea la un conductor de pământ de protecţie. Electrosecuritate specială

În sistemul pacient - aparat electromedical - personal medical există două niveluri de electrosecuritate: • nivelul obişnuit, pentru personalul medical care manevrează aparatul electromedical, unde sunt

valabile regulile de electrosecuritate generală; • nivelul special, pentru pacientul aflat în contact cu părţi ale aparaturii electromedicale în scop

diagnostic sau terapeutic. Măsurile de electrosecuritate speciale trebuie să împiedice depăşirea pragurilor de curent periculoase, la utilizarea aparaturii electromedicale în condiţii normale şi în condiţii de prim defect. Condiţia de prim defect este situaţia în care un singur mijloc de protecţie este defect; obligaţia proiectantului de a menţine securitatea

ELECTRONICĂ MEDICALĂ an IV – Prof.dr.ing. Hariton Costin

68

pacientului chiar în aceste împrejurări constituie o rezervă de securitate de ordinul 1. Protecţia poate avansa prin introducerea rezervei de securitate de ordinul 2.

Figura 9.10 Clasele de protecţie a aparatelor electronice

Normele de electrosecuritate privind aparatura electromedicală utilizată în vecinătatea pacientului prevăd ca partea legată la reţea a aparatului să fie dotată cu o măsură de protecţie suplimentară (rezerva de ordinul 1) faţă de izolaţia de bază a conductorilor prin care trece curentul şi anume: • conectarea tuturor părţilor conductoare accesibile la conductorul de protecţie al reţelei de alimentare

pentru clasa I de protecţie; • izolaţia suplimentară sau întărirea izolaţiei de bază cu eliminarea obligativităţii legării la conductorul de

protecţie, pentru clasa a II-a de protecţie; • alim. la tensiunea redusă medicală (24 Vef c.a. sau 50 V c.c.) pentru clasa a III-a de protecţie (Fig. 9.10). În privinţa relaţiei reţea - aparatură electromedicală, standardele impun limite privind curenţii de scurgere la pământ, prin izolaţie sau prin carcasă, în condiţii normale şi de prim defect. Izolaţia de bază şi măsura suplimentară de protecţie au rolul de a împiedica trecerea unui curent de la partea aplicată, prin pacient, la pământ sau altfel spus, de a crea o izolaţie suficient de mare între pacientul legat la pământ şi conductorul de fază al reţelei. Rezerva de securitate de ordinul 2 previne accidentele asociate cu bucla de masă prin:

ELECTRONICĂ MEDICALĂ an IV – Prof.dr.ing. Hariton Costin

69

• limitarea curentului buclei prin introducerea unei rezistenţe mari în serie cu electrodul de masă; • eliminarea conectării pacientului la masa sistemului de măsură legată de regulă la pământ. Acum un

eventual potenţial periculos pe pacient are căile de scurgere la pământ blocate. Eliminarea legării galvanice la pământ izolează total pacientul în raport cu reţeaua de alimentare.

Intrarea flotantă

Pacientul şi partea aplicată alcătuiesc o structură în care nu sunt permişi decât curenţi foarte slabi. Legarea la pământ fixează cu o toleranţă îngustă potenţialul pacientului şi al părţii aplicate în preajma nivelului zero. Dacă legătura conductoare la pământ este desfiinţată, structura amintită (devenită flotantă) poate atinge un potenţial mare fără ca restricţia internă de curenţi slabi să fie contrazisă. Preamplificatoarele flotante primesc energia de alimentare prin cuplaj magnetic şi transmit informaţia de la pacient prin cuplaj optic sau magnetic. Masa flotantă este referinţa de potenţial valabilă pentru circuitele electronice din structura izolată formată din pacient şi partea aplicată flotantă (vezi Figura 9.10.d). Ca rezervă de securitate de ordinul 2 poate fi privită introducerea limitatoarelor de curent de scurgere (rezistoare neliniare) în serie cu electrozii activi ai amplificatoarelor. Probleme de electrosecuritate în sălile de operaţie Interacţiunea diferitelor aparate electrice conectate la acelaşi pacient pretinde o abordare de sistem a conceptului de electrosecuritate. Ilustrarea riscurilor de sistem cu exemple concrete din sala de operaţie poate reprezenta o pledoarie pentru abordarea sistemică a electrosecurităţii medicale. Scurgerea de la transformatorul de putere. Devierea accidentală prin pacient a curentului de scurgere, al cărui traseu normal este de la transformatorul de reţea prin cuplaj capacitiv la carcasă şi de aici la pământ, este o situaţie cu risc major. Nivelul obişnuit al curentului de scurgere în aparatura electronică generală este de cca. 500 μA. Standardele privind aparatura electromedicală limitează curenţii de scurgere la 100 μA (tipurile B şi BF) şi chiar la 10 μA (tipul CF). Riscul apare când un aparat este folosit fără împământare. Analiza electrosecurităţii nu poate conta pe un pacient izolat, ci trebuie să ia în consideraţie întotdeauna un contact, intenţionat sau nu, între pacient şi un obiect legat la pământ. Egalizarea. Dacă într-o sală de operaţie se găsesc mai multe puncte de împământare nu există certitudinea că toate aparţin aceleiaşi reţele de împământare. De ex., între pământul de protecţie furnizat de o priză Schuko şi o conductă de apă poate exista o diferenţă de potenţial alternativ de 1V care poate deveni periculoasă atunci când apare între electrozi şi traductori legaţi la aceste puncte de pământ diferite (sunt suficienţi 30mV între un electrod intern şi suprafaţa corpului pentru a declanşa o fibrilaţie). Evitarea acestei manifestări se face prin egalizarea potenţialelor tuturor prizelor de pământ existente într-o incintă, prin interconectarea cu o bară de cupru cu diametrul de minimum 6 mm. Curenţi de defect. Un risc major pentru pacient îl constituie apariţia unei diferenţe de potenţial între două puncte de pământ aparţinând aceleiaşi reţele de împământare, datorită unui curent de defect de 1A (de ex.), insuficient să declanşeze siguranţa, curent produs de o avarie undeva în spital. Chiar dacă avaria este un scurtcircuit net, iar curentul de câteva zeci de amperi va acţiona cert siguranţa de fază, răstimpul de câteva sute de ms necesar decuplării se poate dovedi foarte periculos când coincide cu perioada vulnerabilă a ciclului cardiac. Soluţia este gruparea prizelor Schuko astfel încât să existe un singur punct de pământ pentru toate obiectele metalice din vecinătatea pacientului. Electrochirurgie. Un pericol specific este asociat electrochirurgiei, care utilizează curent de înaltă frecvenţă (cca. 8kV / 2 MHz) pentru tăierea sau cauterizarea ţesuturilor. În utilizare normală acest curent, de ordinul amperilor, circulă între bisturiul electric şi un electrod plat cu suprafaţă mare plasat sub şezutul pacientului (pământul). Când contactul de pământ este defectuos, devin competitive alte căi pentru scurgerea curentului spre pământ (vezi Fig. 9.11). Asemenea căi sunt oferite de electrozii de monitorizare ECG care, la frecvenţă mare şi tensiune înaltă, prezintă o impedanţă joasă faţă de masă. Deoarece suprafaţa electrozilor ECG se găseşte faţă de electrodul de şezut în raportul 1/100 ÷ 1/1000, densitatea de curent va creşte în proporţie inversă şi va determina încălzirea şi arsura. Aceasta din urmă va fi evitată dacă impresia chirurgului că bisturiul electric “taie greu" va duce la verificarea imediată a circuitului de pământ al instalaţiei. Astfel, pentru o rezistenţă electrod de şezut-pacient de 10 kΩ, puterea disipată de aceasta poate ajunge la sute de waţi, ceea ce produce imediat arsură. Totuşi, frecvenţa curentului de electrocauterizare este prea mare pentru a induce fibrilaţia ventriculară.

ELECTRONICĂ MEDICALĂ an IV – Prof.dr.ing. Hariton Costin

70

Figura 9.11 Risc de arsură în cazul electrochirurgiei

Sisteme izolate electric

Câteva soluţii suplimentare pentru scăderea riscului apariţiei unui curent periculos prin conductorul de împământare, în caz de defect, sunt următoarele. Un transformator de alimentare de izolaţie (TAI) produce izolarea galvanică (directă) faţă de masa neutră. (Un autotransformator nu produce sisteme izolate.) Acum efectele tensiunilor fluctuante sunt puternic reduse, contactele cu secundarul TAI sau cu împământarea nefiind periculoase. De exemplu, tensiunea diferenţială între un cateter şi şasiu sau împământare scade la 5 mV, deci curentul de pacient (având 500 Ω în medie) este de cca. 10 μA. Un scurtcircuit între firul cald izolat şi împământare nu va anclanşa dispozitivul de siguranţă (Figura 9.12).

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

Figura 9.13 Transformator de izolaţie cu detector de defect

ELECTRONICĂ MEDICALĂ an IV – Prof.dr.ing. Hariton Costin

71

Monitorul de izolaţie (Figura 9.13) verifică în mod continuu impedanţa fiecărei linii de alimentare către pământ. Cazurile de şoc electric sunt: prin atingerea unui fir de alimentare, a unei carcase metalice (faţă de pământ) sau a două şasiuri metalice. Ultimul caz este redat în Figura 9.14, unde chiar dacă izolarea aparatului B cade, prin pacient trec doar 2 μA şi restul de 998 μA prin monitorul de izolaţie. Totuşi, dacă împământarea este întreruptă, acest caz nu poate fi semnalat nici de alarma monitorului, nici de arderea siguranţei. Soluţie: un conductor separat de împământare în paralel cu firul 3 al cablului de alimentare, la care să fie conectate toate şasiurile aparatelor. Un sistem cu împământare echipotenţială conectează toate suprafeţele metalice la acelaşi potenţial al firului suplimentar.

Figura 9.14 Căderea unei singure izolaţii

Întreruptorul pentru împământare defectă (Figura 9.15) este un comutator automat care deconectează alimentarea la creşterea nepermisă a curentului de scurgere. La egalitatea între curenţii pe firul cald şi cel neutru nu există curent de scurgere semnificativ (mai mare de 6 mA, de exemplu) şi în bobina toroidală nu apare flux magnetic, releul rămânând închis. Acest dispozitiv trebuie folosit cu discernământ, pentru a nu întrerupe funcţionarea unor aparate vitale pacientului. Cablarea de putere, distribuţia energiei şi sistemul de împământare sunt esenţiale în asigurarea electrosecurităţii. Alimentarea trebuie să se facă de la o cutie de joncţiune centrală, iar conductoarele de alimentare şi împământare trebuie să aibă aproape aceeaşi lungime (< 5 m pentru împământare). Figurile 9.16 şi 9.17 indică sisteme cu intrare izolată, cu împământare de referinţă lângă pat, pentru reducerea tensiunilor dintre şasiuri, respectiv cu împământare distribuită.

Figura 9.15 Întreruptor pentru împământare defectă

ELECTRONICĂ MEDICALĂ an IV – Prof.dr.ing. Hariton Costin

72

Figura 9.16 Cablare cu împământare la pat

Figura 9.17 Cablare cu împământare distribuită