ТОКОВАЯ ЗАЩИТА ДЛЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОДОВ
CURRENT PROTECTION FOR MONITORING SYSTEMS BASED ON ELECTRODES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для защиты пациентов, соединенных с системами мониторинга на основе электродов, такими как электрокардиографические (ЭКГ) устройства, от чрезмерного тока, который может быть обусловлен, например, применениями в электрокаустике.
Уровень техники
При отслеживании ЭКГ сигналов хирурги часто используют электрокаустические устройства. Электрокаустика представляет собой хирургический способ, который включает введение высокочастотного тока в конкретный участок организма для того, чтобы удалить нежелательную ткань, изолировать кровеносные сосуды или для того, чтобы создавать хирургический разрез. Инструмент, используемый для осуществления электрокаустики, также известен как электрокаутер. В электрокаустике используют высокую частоту, обычно больше 100 кГц, чтобы избежать стимуляции нервов и мышц пациента. Более низкие частоты могут вызывать судорожные сокращения и судороги, которые являются серьезной проблемой. В зависимости от используемого напряжения, электрокаустика может оказывать различные эффекты на организм пациента. Таким образом, очень высокий уровень радиочастотной энергии подают на пациента и затем на вход устройства наблюдения.
Предложены многочисленные варианты реализации уменьшения количества РЧ энергии, например в US 4 038 990, где соединенные катушки индуктивности используют вместе с конденсаторами, или в US 5 217 010, где представлены различные альтернативы LC фильтра.
Однако эти известные варианты реализации не рассматривают вопрос РЧ токов, которые несет отдельный экран. В частности, в применениях в ЭКГ с группами экранированных проводов, которые подвергаются воздействию электрокаустической РЧ энергии, возникает проблема, состоящая в том, что путь тока обеспечен через емкость кабеля (внутренний проводник экрана). Таким образом, когда все экраны соединены вместе, через последовательное соединение этих емкостей кабелей может протекать сильный ток, таким образом вызывая ожоги кожи в местах электродов у пациента.
Для снижения риска этих ожогов предложено уменьшение тока, текущего в электропроводах, посредством применения последовательных защитных элементов в форме импедансов (R и/или L) непосредственно в устройстве захвата группы проводов. Однако большой недостаток состоит в том, что для отслеживания сигналов дыхания, которые подразумевают путь с низким импедансом до пациента, группы проводов для ЭКГ со встроенными защитными элементами подлежат замене на группы без защитных элементов. Это требует времени и зависит от обстоятельств, так что крайне желательно избежать этой процедуры.
В US 6 246 902 защитные элементы более не предусмотрены в подводящем кабеле и разделяют экраны группы подводящих кабелей. Размещение защитных элементов в отдельном блоке позволяет использовать единообразные неэкранированные группы проводов как для операционных блоков, так и для отделений интенсивной терапии. Экранированные проводники также можно подавать через блок раздельно. Кроме того, в экранированные проводники можно вставлять индуктивность для предотвращения протекания тока через последовательное соединение емкости кабелей и, кроме того, для достижения РЧ блокировки в экране, при этом сохраняя хорошую проводимость для низких частот, которые очевидно являются целью этого варианта реализации.
Однако способ использования индуктивностей для разделительных и фильтрующих экранов имеет недостатки, состоящие в том, что индуктивности имеют большие размер и стоимость и ведут себя как емкости выше своей резонансной частоты. Таким образом, на более высоких частотах они снова становятся хорошим проводником. Тот факт, что частоты электрокаустики находятся в диапазоне от нескольких сотен кГц вплоть до 4 МГц, затрудняет нахождение подходящего индуктора с достаточной индуктивностью, чтобы подавлять РЧ сигналы, в то время как его резонансная частота остается достаточно низкой. Кроме того, вместе с (паразитарными) емкостями может возникать резонанс, который ухудшает способность подавления РЧ. В частности, когда имеет место последовательный резонанс емкости кабеля с индуктором, токи могут возрастать до значения, при котором ожоги могут возникать снова. Таким образом, в частности, когда используют подводящие кабели различной длины - или даже неэкранированные подводящие кабели, - очень сложно обеспечить, чтобы не возникал резонанс при каком-либо условии.
В US 2009/149920 A1 предложен способ использования резистивного экрана, покрывающего провод водителя ритма, чтобы избежать наводок РЧ энергии во время МРТ процедур. Реализация дорогостоящего и сложного резистивного экрана подходит, только если наводок энергии следует избегать по всей длине провода.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в создании более эффективного способа разделения экранов для исключения чрезмерных токов экрана.
Эта задача решается устройством по пункту 1 формулы.
Соответственно, резистор соединен последовательно с первым экраном(ами), т.е. между первым экраном и вторым экраном или между первым экраном и экраном провода, чтобы ослаблять ток, текущий через проводящий путь, созданный экраном провода, первым экраном и (общим) вторым экраном. Тем самым, эффективное решение для токовой защиты обеспечено посредством использования резистора(ов) в экранированных проводниках вместо индукторов. Это возможно в связи с тем, что импеданс по переменному току у емкости связи к источникам низкочастотных помех, таким как 50/60 Гц источники или источники электростатических разрядов, намного выше, чем сопротивление, которое можно использовать здесь для эффективного снижения нежелательных токов. Таким образом, влияние этих помех на качество ЭКГ сигнала будет ничтожным, и с целью защиты от электростатических разрядов дополнительный резистор(ы) не будет ухудшать эксплуатационные характеристики, поскольку импеданс источника для статических зарядов в подводящем кабель даже значительно выше, чем импеданс связи по переменному току.
Предложенное решение обеспечивает преимущества, состоящие в том, что резисторы дешевы и имеют малые размеры, чтобы их можно было легко интегрировать в существующие системы отслеживания. Кроме того, РЧ энергию просто переводят в тепло, и резонанс не может возникнуть. Кроме того, существующий резонанс в связи с (паразитарными или желаемыми) индуктивностями (Ls) и емкостями (Cs) может быть ослаблен. Это даже может вести к дополнительному снижению помех в устройстве наблюдения за пациентом. Таким образом, по всей длине подводящего кабеля (т.е. емкости проводящих кабелей) ожоги пациента в местах электродов могут быть предотвращены, поскольку отсутствует последовательный резонанс.
Согласно первому аспекту устройство может содержать множество первых проводников сигнала, каждый из которых имеет входной конец, выполненный с возможностью соединения с соответствующим одним из множества электропроводов, каждый из которых соединен с соответствующим одним из множества датчиков физиологических сигналов, и каждый из множества первых проводников сигнала имеет выходной конец, выполненный с возможностью соединения с соответствующим одним из множества вторых проводников сигнала, причем устройство дополнительно содержит множество первых экранов, размещенных для экранирования первых проводников сигнала, и каждый из них выполнен с возможностью соединения с соответствующим одним из множества вторых экранов, размещенных для экранирования соответствующего одного из упомянутого множества электропроводов, или со вторым экраном, выполненным в виде общего экрана, размещенного для экранирования всех из упомянутого множества вторых проводников сигнала, когда упомянутое множество первых проводников сигнала соединено с упомянутым множеством электропроводов или с упомянутым множеством вторых проводников сигнала соответственно, и устройство дополнительно содержит множество резисторов, каждый из которых соединен между соответствующим одним из множества первых экранов и соответствующим одним из упомянутого множества вторых экранов или между соответствующим одним из множества первых экранов и вторым экраном таким образом, чтобы ослаблять токи, текущие через проводящие пути, образуемые множеством экранов проводов, множеством первых экранов и вторым экраном. Таким образом, узел с множеством датчиков и экранированных проводов датчиков можно защитить в централизованном местоположении, где провода собраны в пучок и обеспечены общим экраном.
Согласно третьему аспекту, который можно сочетать с первым или вторым аспектом, устройство может быть выполнено в виде магистрального блока, который имеет входную соединительную часть для соединения множества электропроводов и множества экранов проводов и имеет выходную соединительную часть, состоящую из множества вторых проводников сигнала и второго экрана. Третий аспект обеспечивает благоприятную модульную конфигурацию, которую можно соединять таким образом, чтобы расширить стандартные системы отслеживания. Третий аспект можно модифицировать посредством добавления дополнительного отдельного выходного кабеля, содержащего общий экран и множество вторых проводников сигнала, отдельный кабель имеет первый конец, соединенный с магистральным блоком, и противоположный второй конец, соединенный с магистральным разъемом, включающим в себя выходную соединительную часть.
Следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления изобретения также может представлять собой какое-либо сочетание зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.
Эти и другие аспекты изобретения разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже в настоящем документе.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
на фиг. 1 представлена блок-схема системы отслеживания согласно предпочтительному варианту осуществления; и
на фиг. 2 представлена принципиальная схема цепи для защитной схемы согласно предпочтительному варианту осуществления.
Осуществление изобретения
В нижеследующем варианте осуществления описана повышенная защита от чрезмерных токов экрана для устройств наблюдения за пациентом, таких как ЭКГ устройства.
Согласно варианту осуществления токи экранированных кабелей можно значительно снизить, если экраны подводящего кабеля разделить посредством соединения по меньшей мере одного последовательного сопротивления с экранированным проводником(ами). Этот резистор, например, может быть предусмотрен в магистральном кабеле ЭКГ, чтобы обеспечить возможность использования единообразных подводящих кабелей для всех применений.
Обычно емкость связи подводящего кабеля для 50/60 Гц источников находится в диапазоне нескольких пикофарад (пФ). В чрезвычайных обстоятельствах она может возрастать приблизительно до 100 пФ.
Это приводит к импедансу связи, который будет находиться в диапазоне нескольких 1000 МОм, в чрезвычайных обстоятельствах он может снижаться приблизительно до 30 МОм. По сравнению с этими значениями сопротивление, например, 10 кОм будет снижать синфазный сигнал 100 В и 30 МОм импеданса источника - что представляет собой абсолютно худший случай - только до 0,03 В, в нормальных условиях даже до 0,001 В.
рн
рн
рн
Обычно стандартные системы обеспечивают подавление синфазного сдвига больше чем 90 дБ. Таким образом, 0,03 В среднеквадратический (RMS) сигнал снижают меньше чем до 3 мкВ (размах напряжения), который значительно меньше, чем нормальный шум ЭКГ (Association for the Advancement of Medical Instrumentation (AAMI) требует 30 мкВ). Сигнал 0,001 В, поскольку он возникает в нормальных условиях, будет снижен даже до 0,1 мкВ. Тот факт, что сам пациент обычно имеет более плотную связь с источниками помех, чем подводящий кабель, поддерживает тот факт, что очень низкоимпедансное экранирование проводов не требуется, поскольку пациент будет вносить значительно больше шума в систему, чем кабель.
С целью защиты от электростатического разряда дополнительный резистор также не должен ухудшать эксплуатационные характеристики, поскольку импеданс источника статических зарядов на подводящем кабеле даже значительно выше, чем импеданс связи по переменному току, упомянутый выше.
Реализацию выполняют посредством разработки нового ЭКГ магистрального кабеля и/или магистрального блока, в котором все экраны собраны вместе позади резистора. Таким образом, он имеет такое преимущество, что вставляемые фильтры не могут быть потеряны - магистральный кабель просто всегда остается с конкретным устройством наблюдения.
На фиг. 1 представлена блок-схема системы отслеживания согласно предпочтительному варианту осуществления. Множество ЭКГ электродов 2 или датчиков физиологических сигналов других типов прикрепляют к телу пациента 1 с тем, чтобы получать физиологические сигналы от пациента 1. Множество электропроводов 3 с соответствующими электромагнитными экранами 4, расположенными для экранирования электропроводов 3, соединены на одном конце с соответствующими экранами электродов 2 и на другом конце с разъемом 5 провода. Разъем 5 провода имеет соединительный конец 6, который можно вставлять в гнездо или розетку 7 магистрального блока 8 с защитной схемой 8 (не показана на фиг. 1). От магистрального блока 8 один магистральный кабель 9 с общим экраном ведет к магистральному разъему 10 с многоконтактным соединительным концом 11, который можно вставлять в гнездо или розетку 12, соединенную со схемой обработки физиологического сигнала (не показано) устройства 13 наблюдения за пациентом. Тем самым, можно обеспечить модульную систему, где магистральный блок 8 или разъем 5 провода можно модифицировать для того, чтобы обеспечить повышенную защиту от чрезмерного тока экрана.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема цепи для защитной схемы в магистральном блоке 8. Защитная схема содержит фильтр помех 16, который может относиться к какому-либо типу RLC фильтров (или его подмножеству). Кроме того, электромагнитные экраны 15, расположенные для экранирования ЭКГ проводников сигнала 14, комбинируют за соответствующим защитным резистором 17. Проводники сигнала 14 и электромагнитные экраны 15 в магистральном блоке 8 соединены через разъем 5 провода на фиг. 1 с внешними электропроводами 3 и внешними электромагнитными экранами 4 соответственно. Проводники ЭКГ сигнала 18 за фильтром имеют общий экран 19 и могут быть расположены в виде магистрального кабеля 9 на фиг. 1.
Согласно примерному варианту реализации защитной схемы согласно варианту осуществления фильтр помех 16 может представлять собой последовательное соединение резистора (например, 10 кОм) и индуктора (например 6,8 мГн). Можно реализовать, защитный резистор 17, например, со значением 22 кОм. Конечно, другие значения можно выбирать в зависимости от желаемого применения.
В качестве альтернативы, защитный резистор 17 также может быть встроен в соединительный конец 6 разъема 5 провода или в соединительную розетку 7 магистрального блока 8.
В целом, когда на пациенте применяют экранированные ЭКГ провода во время присутствия сильных РЧ сигналов, таких как электрокаустика, сильные токи могут течь через емкость кабеля к экрану и оттуда обратно к пациенту через другую емкость кабеля и электрод, таким образом вызывая ожоги кожи. Такие сильные токи можно значительно снизить, когда экраны подводящего кабеля разделяют посредством соединительных последовательных сопротивлений на экранированные проводники. Реализация этого резистора в ЭКГ магистральный кабель делает возможным использование единообразных подводящих кабелей для всех применений.
Специалисты в данной области могут понять и осуществить другие вариации в раскрытых вариантах осуществления при практической реализации описываемого в заявке изобретения, изучив чертежи, раскрытие и приложенную формулу изобретения.
В формуле изобретения слово «содержит» не исключает другие элементы или этапы, а формы единственного числа не исключают множественного числа.
Один процессор, измерительный блок или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт того, что определенные средства перечислены в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих средств не может быть использовано с пользой.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует толковать в качестве ограничения ее объема.
При применении экранированных ЭКГ проводов у пациента при наличии сильных РЧ сигналов, таких как электрокаустика, сильные токи могут течь через емкость кабеля к экрану и оттуда обратно к пациенту через другую емкость кабеля и электрод, таким образом вызывая ожоги кожи. Такие сильные токи можно значительно уменьшить, если экраны подводящего кабеля разделить посредством последовательных соединительных сопротивлений на экранированные проводники. Реализация этого резистора в ЭКГ магистральный кабель делает возможным использование единообразных подводящих кабелей для всех применений.