Urządzenia elektryczne w medycynie. Wstęp

Transkrypt

1 Urządzenia elektryczne w medycynie Wstęp

2 Oś tematyczną wykładu obejmują podstawowe pojęcia elektrotechniki, silniki elektryczne, ich zasilanie, sterowanie oraz zastosowanie w urządzeniach stosowanych w sprzęcie medycznym.

3 Prąd elektryczny, oprócz znanych wszystkim zastosowao przemysłowych i codziennych, jest także wykorzystywany w medycynie. Leczenie prądem elektrycznym określa się mianem elektroterapii. Ta metoda leczenia była wykorzystywana już w starożytności, pomimo że nie znano wtedy pojęcia prądu elektrycznego ani nie zdawano sobie sprawy z jego istnienia. Znano za to pewne gatunki ryb, które wytwarzają ładunek elektryczny. Próbowano stosowad te ryby w terapii, przez przykładanie ich do ciała chorego.

4 Urządzenia elektryczne w medycynie Jako urządzenie diagnostyczne, wskazujące na rodzaj schorzenia (np. jakie urządzenie wybrad, by lepiej zobrazowad zmianę chorobową rezonans magnetyczny, czy tomograf) Jakie urządzenia elektryczne są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania sprzętu medycznego, np.: transformatory, silniki elektryczne, UPS Jaki jest wpływ podzespołów elektronicznych na działanie poszczególnych urządzeo (elektronika medyczna)

5 Trochę historii Pierwsze wzmianki o próbach wykorzystania elektryczności w celach leczniczych pochodzą już ze starożytności, kiedy to do tego celu próbowano wykorzystad pewne gatunki ryb, potrafiące gromadzid ładunki elektryczne, przykładając je do ciała leczonej osoby. Prawdziwy rozwój lecznictwa prądem elektrycznym zaczął się w XVIII wieku, już po odkryciu prądu elektrycznego. W 1791 roku znany fizyk, Luigi Galvani, opisał zjawisko skurczu mięśni żaby wywołanego prądem elektrycznym. Alessandro Volta, kontynuator prac Galvaniego, skonstruował pierwsze ogniwo galwaniczne, a w latach 30. XIX wieku Michael Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej. To wielkie odkrycie zapoczątkowało erę prądu zmiennego.

6 Zabiegi medyczne wykorzystujące urządzenia elektryczne Organizm człowieka przewodzi prąd, ponieważ składa się z dużej ilości płynów, głównie wody i cząsteczek o ładunkach elektrycznych (jony i elektrolity). Jony to atomy o jakimkolwiek ładunku elektrycznym. Aniony to jony o ładunku ujemnym, kationy to jony o ładunku dodatnim. Elektrolity to płyny zawierające jony. Elektrolitami są woda, kwasy, zasady, krew i limfa. Przewodzenie prądu w organizmie człowieka jest zróżnicowane, ponieważ poszczególne części ciała i organy zawierają różne ilości płynów. Kości zawierają mało płynów i prawie nie przewodzą prądu. Mięśnie są lepszymi przewodnikami. Bardzo dobrze przewodzą natomiast naczynia krwionośne i limfatyczne. Skóra mokra (woda, ampułki, pot) lepiej przewodzi niż skóra sucha. Krew, limfa i mokra skóra, to elektrolity dobrze przewodzące prąd.

7 Prąd z sieci jest prądem zmiennym, dlatego urządzenia do wytwarzania prądu stałego zaopatrzone są w prostowniki. Zabiegi na ciele wykonuje się tylko przy natężeniu w zakresie miliamperów. Podczas zabiegów z użyciem prądu stałego używa sie dwóch różnie naładowanych biegunów + i -, czyli elektrod. Dzięki temu powstaje obieg zamknięty prądu. Używa się także elektrody czynnej i biernej. Obie elektrody mogą byd anodami i katodami. Można zamieniad bieguny przy elektrodach. Przeciwelektroda przykładana jest do ciała pacjenta, elektroda czynna jest elektrodą pracującą na wybranym fragmencie ciała. Wielkośd powierzchni elektrody określa intensywnośd oddziaływania prądu.

8 Pomysł by do leczenia chorych wykorzystad elektrycznośd nie jest nowy. W ostatnich latach zakres leczniczych zastosowao prądu elektrycznego znacznie się poszerzył, gdyż rozwój takich dziedzin jak elektronika, czy energoelektronika pozwoliły na wprowadzenie nowych urządzeo do elektroterapii. Podstawą większości odmian elektroterapii jest promieniowanie elektromagnetyczne, którego widmo sięga od fal radiowych i telewizyjnych do promieni kosmicznych i promieniowania gamma. Jedną z najskuteczniejszych i najdawniejszych metod fizykoterapii jest stymulacja prądem elektrycznym. Począwszy od węgorzy elektrycznych stosowanych w starożytnej Grecji, poprzez przeprowadzoną przez Beniamina Franklina próbę terapii okołostawowego zapalenia barku sąsiada, gdzie źródłem prądu były prymitywne baterie, aż do szerokiej gamy urządzeo wykorzystywanych przez dzisiejszych terapeutów, elektrostymulacja zajmuje ważne miejsce wśród standardowych metod fizykoterapii.

9 Elektroterapia to zespół zabiegów, w których wykorzystuje się do leczenia pacjenta zazwyczaj prąd stały. Spośród zabiegów wchodzących w skład elektroterapii najważniejsze to: Galwanizacja - zabieg przeprowadzany z wykorzystaniem prądu stałego. Polega on na umieszczeniu na ciele pacjenta dwóch elektrod, z których jedna znajduje się w pobliżu chorego miejsca. Przez elektrody przepływa prąd, który działa rozluźniająco. Galwanizacja ma także działanie przeciwzapalne i przeciwbólowe. Stosuje się ją także w kosmetologii.

10 Jonoforeza - podobnie jak galwanizacja, jest to zabieg z wykorzystaniem prądu stałego. W wyniku przepływającego prądu i wytworzonego potencjału, wprowadzony do ciała chorego lek jest kierowany w odpowiednie miejsce - do chorych tkanek. Lek jest zazwyczaj wprowadzany do ciała wraz z jedną z elektrod, którą umieszcza się w chorym miejscu. Cząsteczki leku odrywają się od elektrody i dostają się do chorych tkanek. Jonoforeza jest wykorzystywana w lecznictwie bólów nerwowych, zapaleo stawów, a także bardzo trudno zrastających się złamao kostnych.

11 Prądy diadynamiczne - powstają w wyniku prostowania prądu zmiennego o częstotliwości 50 Hz i nałożenia powstałych połówek sinusoidy na podprogowe natężenie prądu galwanicznego. Prądy te więc składają się z dwóch komponentów prądu stałego i prądu zmiennego, co powoduje że wartośd mocy impulsu nie spada do zera, tylko do minimalnej wartości prądu stałego. W związku z tym prądy diadynamiczne maja właściwości prądu stałego o małym natężeniu. Wykorzystywane są do leczenia silnych bólów oraz skurczy mięśniowych. Podobnie jak w innych zabiegach, prąd elektryczny jest przepuszczany pomiędzy dwoma elektrodami umieszczonymi w ciele pacjenta.

12 Elektrostymulacja - metoda z wykorzystaniem prądu zmiennego o bardzo małej częstości. Przepuszczanie prądu powoduje stymulację mięśni - naprzemienne skurcze i rozkurcze. Jest to pewien rodzaj gimnastyki mięśniowej. Elektrostymulację stosuje się do leczenia porażeo, niedowładów mięśni, takich jak porażenie nerwu twarzowego, a także inne urazy mięśniowe.

13 Stymulacja prądem elektrycznym o natężeniu kilku mikroamperów i napięciu ok. 60 V skutecznie uśmierza ból i wspomaga gojenie się ran. Urządzenia stosowane w przypadku elektroterapii umożliwiają zmianę polaryzacji w trakcie zabiegu, stymulację elektrodą dodatnią, ujemną lub stymulację dwubiegunową. Stymulacja elektrodą dodatnią ma działanie przeciwbólowe. Stymulacją dwubiegunową powinno się kooczyd zabiegi, aby doprowadzid tkanki do odczynu zbliżonego do obojętnego.

14 Bardzo ważną rolę w lecznictwie spełniają komputery. Są nieocenione w wszelkich specjalistycznych badaniach, umożliwiając wykrywanie wczesnych stadiów rozwijających się groźnych chorób. Lekarze są w stanie szybko określid co dolega danemu pacjentowi, co umożliwia rozpoczęcie oraz natychmiastowego leczenia. Komputery niosą pomoc osobom sparaliżowanym, przy pomocy bardzo skomplikowanych urządzeo wychwytujących i analizujących fale mózgowe, umożliwiając im porozumiewanie się.

15 Maszyny zastępują również określone części ciała, wykonując polecenia wydawane przez ludzki mózg (poprzez zespolenie ich z układem nerwowym). Komputery wykorzystywane są również do sterowania nowoczesnymi wózkami inwalidzkimi obsługiwanymi przez pilota. Takie wózki umożliwiają niepełnosprawnym możliwośd precyzyjnego poruszania się bez wykorzystania siły ich własnych mięśni.

16 Metody diagnostyczne wykorzystujące urządzenia elektryczne Radiodiagnostyka pod tym pojęciem rozumiemy wszelkie nieinwazyjne metody obrazowania mające na celu wykrycie ognisk chorobowych (m.in. nowotwory, złamania itp. ).Główne metody obrazowania to: Rentgenodiagnostyka wykorzystująca promieniowanie X (m.in. tomografia komputerowa, mammografia) tomograf mammograf

17 USG, ultrasonografia nieinwazyjna, atraumatyczna metoda diagnostyczna, pozwalająca na uzyskanie obrazu przekroju badanego obiektu. Metoda ta wykorzystuje zjawisko rozchodzenia się, rozpraszania oraz odbicia fali ultradźwiękowej na granicy ośrodków, przy założeniu stałej prędkości fali w różnych tkankach równej 1540m/s. W ultrasonografii medycznej wykorzystywane są częstotliwości z zakresu ok MHz. Fala ultradźwiękowa najczęściej generowana jest oraz przetwarzana w impulsy elektryczne przy użyciu zjawiska piezoelektrycznego.

18 Jednym z bardzo popularnych obecnie zastosowao ultrasonografii jest USG naczyo krwionośnych z wykorzystaniem zjawiska Dopplera. USG dopplerowskie pozwala na ocenę prędkości oraz kierunku przepływu krwi w naczyniach. Stosując niższe częstotliwości (2-5 MHz, np. podczas badania jamy brzusznej lub echokardiograficznego badania serca) uzyskuje się obrazy struktur głębiej położonych kosztem niższej rozdzielczości. Natomiast korzystając z częstotliwości wyższych (7,5-16 MHz, np. badanie przezpochwowe, przezciemiączkowe, diagnostyka węzłów chłonnych, aż do 50 MHz w ultrasonografii wewnątrznaczyniowej naczyo żylnych oraz tętniczych) uzyskuje się obrazy dokładniejsze, ale tylko struktur płycej położonych.

19 Płód w macicy

20 Ultrasonografia 3D płodu

21 EEG, elektroencefalografia nieinwazyjna metoda diagnostyczna służąca do badania bioelektryczności czynności mózgu za pomocą elektroencefalografu. Badanie polega na odpowiednim rozmieszczeniu na powierzchni skóry czaszki elektrod, które rejestrują zmiany potencjału elektrycznego na powierzchni skóry pochodzące od aktywności neuronów kory mózgowej i po odpowiednim ich wzmocnieniu tworzą z nich zapis elektroencefalogram.

22 Badanie EEG

23 MEG, magnetoencefalografia technika obrazowania elektrycznej czynności mózgu za pomocą pola magnetycznego wytworzonego przez mózg. Podstawą działania MEG jest mierzenie pola magnetycznego powstałego na skutek istnienia w dendrytach neuronów tzw. prądów jonowych podczas przepływu impulsów nerwowych. W zgodzie z równaniami Maxwella każdy prąd elektryczny wytwarza prostopadle zorientowane pole magnetyczne i właśnie natężenie tego pola jest mierzone przez czujniki.

24 Diagnostyka radioizotopowa, m.in. PET - Pozytonowa Emisyjna Tomografia jest techniką obrazowania, w której (zamiast jak w tomografii komputerowej zewnętrznego źródła promieniowania rentgenowskiego lub radioaktywnego) rejestruje się promieniowanie powstające podczas anihilacji pozytonów (anty-elektronów). Źródłem pozytonów jest podana pacjentowi substancja promieniotwórcza, ulegająca rozpadowi beta plus.

25 Termografia to proces obrazowania w paśmie średniej podczerwieni (długości fal od ok. 0,9 do 14um). Pozwala on na rejestrację promieniowania cieplnego emitowanego przez ciała fizyczne w przedziale temperatur spotykanych w warunkach codziennych, bez konieczności oświetlania ich zewnętrznym źródłem światła oraz dodatkowo na dokładny pomiar temperatury tych obiektów. Termografia obecnie uważana jest za najbardziej atrakcyjną metodę pomiaru temperatury na odległośd.

26 Kot w kamerze termowizyjnej

27 Rezonans magnetyczny (MRI) to nieinwazyjna metoda uzyskiwania obrazów odpowiadających przekrojowi przez określoną strukturę ciała żyjącego człowieka. Obrazowanie rezonansem magnetycznym opiera się na zjawisku jądrowego rezonansu magnetycznego. Angiografia rezonansu magnetycznego

28

29 Radioterapia Jest to jedna z trzech podstawowych metod leczenia nowotworów wykorzystująca promieniowanie jonizujące (pozostałe to chemioterapia i hormonoterapia). Może byd stosowana jako samodzielna metoda leczenia, bądź jako jedna z części tzw. leczenia skojarzonego. Akcelerator cząstek Clinac

30 Przykład sprzętu z zastosowanymi urządzeniami elektrycznymi Urządzenia elektryczne stosowane w bieżni: - Silnik napędzający bieżnię; - komputer z programami treningowymi; - urządzenie do elektronicznej regulacji prędkości (1-16 km/h); - urządzenie do elektrycznego ustawianie stopnia nachylenia (1-12%); - zabezpieczenie (elektroniczny system bezpieczeostwa).

31 Łóżka rehabilitacyjne

32 Wirówki laboratoryjne

33 Zestawy stomatologiczne Współczesne zespoły sterowane pneumatycznie posiadają instalację elektryczną umożliwiającą montaż nie tylko wszystkich urządzeo elektrycznych, ale również modułów sterowanych elektronicznie (silniki bezszczotkowe, endodontyczne, panele sterujące unitem ze stanowiska lekarza i asysty). Podnoszenie fotela może byd realizowane elektrycznie lub hydraulicznie. Czułym elementem w przypadku systemu elektrycznego jest układ związany z mechaniczną stroną podnoszenia czyli długa przekładnia śrubowa napędzana silnikiem elektrycznym.