Fysiologiska effekter av elektrisk ström II

Transkript

1 Säkerhet i klinisk miljö Fysiologiska effekter av elektrisk ström II E. Göran Salerud Institutionen Medicinsk Teknik Definitioner Säkerhet: frihet från oacceptabla risker för skada. Grundläggande säkerhet: Skydd mot direkta fysiska risker när medicinsk elektrisk utrustning används under normala eller andra rimliga förutsebara förhållanden. Risk: Den sannolika förekomsten av en fara som orsakar skada och svårighetsgraden av skadan. Effektivitet: förmågan hos ett objekt att möta en krav på tjänster för givna kvantitativa egenskaper. Fullständig säkerhetsnivå: Ett kvalitativt mått på den säkerhetsnivå som en komponent eller system kommer att fungera som man avsett, eller, om det inte fungerar, att göra detta på ett säkert sätt Olika typer av faror Olika typer av faror Elektriska risker Elektrisk chock (mikro och makro) på grund av fel på utrustningen, fel i strömleveranssystem, jordningsfel, brännskador, brand, etc. Mekaniska risker Hjälpmedel, förflyttningshjälpmedel, proteser, mekaniska hjälpapparater, patientstödanordningar Miljörisker Fast och flytande avfall, buller, verktyg (naturgas), byggnadskonstruktioner etc. Biologiska risker Infektionskontroll, virala sjukdomsutbrott, isolering, sanering, sterilisering, avfallshantering Strålningsrisker Användning av radioaktiva ämnen, strålningsutrustning, exponeringskontroll Mångatyper av kraftkällor, potentiellt farliga ämnen, instrument och handhavanden Användning av eld, tryckluft, vatten, kemikalier, läkemedel, mikroorganismer, avfall, ljud, elektricitet, strålning, naturlig och onaturlig katastrof, oaktsamhet, strålningskällor, etc. Medicinska åtgärder utsätter patienter för en ökad risk på grund av att hud och andra skyddsbarriärer penetreras/ändras Enbart I USA sker det skador i USA varje år! Oftast på grund av: Felaktig användning Otillräcklig utbildning Brist på erfarenhet Felaktig (brist på) användning av instruktioner Utrustning går sönder

2 Elsäkerhet Fysiologiska effekter av elektricitet Säkerhet i den kliniska miljön: Elsäkerhet Fysiologiska effekter av elektricitet Fysiologiskt känsliga parametrar Distribution av elkraft Isolerade kraftsystem Macroshock tillbud Microshock tillbud Elektriska säkerhetsföreskrifter och standarder Skyddåtgärder Kraftdistribution Jordfelsbrytare brytare (GFCI) Konstruktionen av utrustning Elektrisk säkerhetsanalysatorer / Test av elektriska system För att elektricitet skall ha en effekt på den mänskliga kroppen: En elektrisk potentialskillnad måste uppstå Den som påverkas måste vara en del av den elektriska kretsen, en ström måste gå in i kroppen vid en punkt och lämna den på en annan. Men det som ger upphov till fysiologiska effekter är inte spänningen, utan snarare STRÖMMEN. En hög spänning ( 10 3 V) som appliceras över en stor impedans (grov hud) orsakar sällan någon skada En låg spänning applicerad över en mycket liten impedans (hjärtvävnad) kan ge allvarliga konsekvenser (ventrikelflimmer) Storleken av strömmen är enkelt den pålagda spänningen dividerad med det totala effektiva impedansen mellan de aktuella punkterna; Elektricitet kan uppvisa en av tre effekter: Elektrisk stimulering av exciterbara vävnader (muskler, nerver) Resistiv uppvärmning av vävnad Elektriska brännskador / vävnadsskada för likström och höga spänningar Fysiologiska effekter av elektricitet Impedans vid strippad hud Den verkliga fysiologiska effekten beror på den aktuella vägen som strömmen tar. Torr hudimpedans:93 kω / cm 2 Elektrodgel på hud: 10.8 kω / cm 2 Penetrerad hud: 200 Ω / cm 2 Fysiologiska effekter av elektricitet. Tröskel eller beräknade medelvärden anges för varje effekt för en människa på 70 kg under en 1 till 3 s exponering av 60 Hz ström, applicerad via koppartrådar till händerna. 8

3 Fysiologiska effekter av elektricitet Förnimmelse: Den minsta ström som en individ kan uppleva. För AC ( med våta händer ) kan vara så liten som 0,5 ma vid 60 Hz. För DC, 2 10 ma Let- go ström: Den maximala ström som man kan frivilligt kan släppa ma, där ofrivilliga muskelsammandragningar, reflexer, sekundära fysiska effekter (faller, slår i huvudet ) kan förekomma Andningsförlamning/ smärta / trötthet: Redan vid 20 ma, kan ofrivilliga sammandragningar av andningsmuskulaturen orsaka kvävning / andningsstillestånd, om den inte avbryts. Starka ofrivillig sammandragningar av andra muskler kan orsaka smärta och trötthet Ventrikelflimmer: ma kan orsaka att hjärtmusklen drar ihop sig okontrollerat, förändrar den normala fortledningen av den elektriska aktiviteten i hjärtat. HR kan stiga till till 300 slag per minut, snabb, oorganiserade och för högt för att meningsfullt pumpa rätt mängd blod => ventrikelflimmer. Ihållande myokardiell kontraktion / Brännskador och fysisk skada: Vid 1 6 A kan hela hjärtmuskeln kontraheras och hjärtat slutar slå. Detta åstadkommer inte en irreversibel vävnadsskada, emellertid, den normala rytmen återkommer så snart strömmen avlägsnats. Vid 10A eller mer, kan brännskador uppstå, särskilt vid kontaktställena. 10 Fysiologiskt viktiga parametrar Frekvenssvar för förnimmelse och let-go strömmen Tröskel och let-go strömmens variabilitet Data är beroende på kontaktyta, fuktighet, ledningsmaterial, 70 kg människa, 60 Hz, 1 3 s.. exponering 12

4 Fysiologiskt viktiga parametrar Fysiologiskt viktiga parametrar Frekvens Observera att den minimala let-go ström inträffar vid den frekvens som vi använder varje dag, 50-60Hz. let-go strömmen ökar under 10 Hz och över några hundra Hz. Let-go strömmen vs frekvensen. Percentilvärden indikerar variationen i let-go strömmen mellan individer. let-go strömmen för kvinnor är cirka två tredjedelar av värdena för män. Varaktighet Ju längre varaktighet, desto mindre ström krävs för att kammarflimmer skall uppträda Shocktillstånd måste vara tillräckligt långt för att sammanfalla med den mest vulerabla tidsperioden, under T- vågen. Vikt Risken för flimmer ökar med kroppsvikten (från 50 ma för 6kg till 130 ma för 24 kg, hund). Tröskelvärden för kammarflimmer i djur för 60 Hz växelström. Varaktighet på strömmen (0,2 till 5 s) och vikt varierades. Tröskel för ventrikelflimmer Fysiologiskt viktiga parametrar Elektriska kontaktpunkter Storleken av den ström som krävs för att fibrillera hjärtat är mycket större, om strömmen inte appliceras direkt på hjärtat; externt applicerad ström förlorar mycket av dess amplitud beror på strömfördelningar. Stora, externt tillämpade strömmar orsakar macroshock. Om katetrar används, försvinner det naturliga skydd som huden (15 kω 2 MΩ) utgör, vilket normalt minskar den ström som kan orsaka flimmer. Även de minsta strömmarna ( µa), kan orsaka microshock och därmed flimmer. Gränsen för mikrochocker är 10 µa. Den exakta elektriska kontaktpunkten är mycket viktig: Om båda punkter för anslutning är på samma extremitet, är risken för flimmer kraftig minskad även vid höga strömmar. 15

5 Fysiologiskt viktiga parametrar Makroshock Kontaktpunkter Effekt av anslutning (a) Macroshock, strömmen sprider sig genom hela kroppen. (b) Microshock, all ström som anbringas genom en intrakardiell kateter passerar genom hjärtat. De flesta elektriska apparater har ett metallhölje, som utgör en fara i händelse av bristfällig isolering eller en kortslutning mellan fasen och och chassit. Det är då 230 V mellan chassit och alla andra jordade föremål. Det första naturliga försvaret hos patienten är huden. Det yttre lagret uppvisar en impedans på 15 kω till 1 MΩ beroende på del av kroppen, fukt och andra kroppsvätskor, endast 1 % av den för torr hud om huden är skadad, Bulkmotståndet i kroppen är 200Ω för varje extremitet, och 100Ω för bålen, dvs en inre resistans mellan två ben är ungefär 500Ω! Varje förfarande som minskar eller eliminerar hudmotståndet ökar risken för elektriska stötar, inklusive elektrodgel, elektroniska termometrar som placeras i öron, mun, ändtarm, intravenösa katetrar, etc. En tredje kabel, som jordas, kan kraftigt minska effekten av macroshock, eftersom motståndet i den skulle vara mycket mindre än kroppen motstånd! Effekter av makroshock Makroshock risker Direkta fel mellan fasledaren och jord är inte vanliga, och tekniskt sett är jordanslutning inte nödvändig vid normal drift. I själva verket kommer ett jordfel inte att detekteras vid normal drift av anordningen, endast när någon vidrör det blir risken känd. Därför måste jordledning i apparater och behållare regelbundet testas. 19

6 Vägar till hjärtat Vulnerable zones Pacemakerkablar Epi- or endocardial elektroder Intrakardiella elektroder (EGM) Vätskefyllda katetrar för: Blodtrycksmätning Blodtagning Injektion av medicin eller kontrast Jordloopar och oavsiktliga läckströmsvägar 22 Mikroshock risker Små strömmar passerar mellan angränsande isolerade ledare vid olika potentialer => läckströmmar som flyter genom strökapacitanser, isolering, damm och fukt Läckströmmen passerar till chassit och transporteras säkert till jord, om en lågresistiv jordledning är tillgänglig. Om jordledningen är bruten, stiger chassipotentialen över jordplanet och en patient som har en jordad anslutning till hjärtat (t.ex. genom en kateter) tar emot en microshock om han / hon rör vid chassit. Om det finns en anslutning från chassit till patientens hjärta, och en anslutning till jordplanet var som helst i kroppen så orsakar det också microshock. Observera att risken för mikrochock endast föreligger om det finns en direkt koppling till hjärtat. Annars är även det inre motståndet i kroppen tillräckligt stort för att förhindra mikrochocker. Mikroshock risker

7 Mikroshock via olika jordningar SKYDDSJORDNING! Mikrochocker kan också uppstå om olika enheter inte har samma jordpotential. I själva verket kan microshock inträffa även när en enhet som inte är ansluten till patienten har ett jordfel! Ett vanligt jordledningsmotstånd på 0.1 kan lätt orsaka en 500mVs potentialskillnad om ett jordfel på 5A uppstått någonstans. Om patientens motståndet är mindre än 50k, skulle detta orsaka en ström av 10A Den ledning som är ansluten direkt till jordplanet medger följande: I händelse av ett fel (kortslutning mellan strömförande ledare och metallhölje), kommer en stor ström att passera genom jordledning (i stället för patienten) och inte bara skydda patienten, men också leda till att säkringen utlöses. Förmågan hos skyddsjordsystemet att leda stora strömmar till jord är avgörande för att det ska fungera! Om inget fel föreligger, fungerar jordledningen som en väg för den evntuella läckström som går tillbaka till den strömkällan, så länge som skyddsjordningen har en låg resistans. Läckströmmens storlek har fastställts för att förhindra skador då skyddsjordningen inte fungerar och patienten vidrör en elektriskt aktiv yta ( µa). Distribution av elkraft Isolerad kraftdistribution Not grounded! (230 V) Normalt, när det finns en jordningsfel från fas till jord, är att en stor ström uppstår som orsakar en potentiell fara, eftersom enheten kommer att sluta fungera när brytarna öppna! Detta kan förhindras genom att använda den isolerade system, som separerar jord från nollan, vilket gör nollan och fas elektriskt identiska.

8 Isolerad kraftdistribution Isolationstransformator Not grounded! Om ett jordfel uppstår återgår systemet tillbaka till den normala jordade systemet. En isolationsmonitorn används som kontinuerligt övervakar för ett första jordfel, och ger information till operatörerna som då kan åtgärda problemet. Detta enda jordfel utgör ingen fara! 30 Jordade system Jordfelsbrytare Låg resistiv (0,15 ) jord som kan klara strömmar upp till föruybestämd säkringsnivå och som skall skydda patienter genom att hålla alla ledande ytor och kontakter på samma potential. Skyddar patienter från Macroshocker Mikrochocker Jordfel på annat håll (!) Skillnaden mellan olika kontakter och andra ytor bör inte vara mer än 40 mv mätt till patient-utrustningens jordpunkt. Varje patientutrustning jordpunkten är ansluten till en enda anslutning till byggnadens jordpunkt. Kopplar ifrån källan när ett jordfel är större än ca 6 ma! När det inte finns något fel, I fas =I nolla. Jordfelsbrytaren upptäcker skillnaden mellan dessa två strömningar. Om skillnaden är över en tröskel, innebär att resten av den nuvarande måste flyter genom annat håll, antingen chassit eller patienten!.

9 The The image cannot be displayed. Your Elektrisk isolation Optical Isolation Amplifier Isolation barrier Isolation barrier ν CM CMRR ν SIG ν CM (a) Error ν ISO IMRR * Input common Error *IMRR in v/v + ν ISO Huvuddragen i en isoleringsförstärkare: + R F νiso Isolation Capacitance and resistance Output common Hög ohmsk isolation mellan in-och utgång (> 10 MΩ) Hög isoleringsspänning (> 1000V) Hög CMRR(> 100 db) νo = ν ν CM ν ISO SIG ± ± CMRR IMRR Gain + (c) R G υ i i 1 CR 3 CR 1 CR 2 i i Input control AI + λ 1 λ 2 +υ o i 2 AII i υ o υ o = υ i R K R G R K = 1M Ω i 2 +V Output control V Testning av elektriska apparater Testning av elektriska apparater Skyddsjord--till-chassi motstånd: Bör vara <0.15Ω under användningstiden för apparaten Läckström i patientledningar: Potentiellt mest skadliga läckaget är den med patientens egna ledningar, eftersom de vanligtvis har låg impedans i anslutningarna Strömmen bör begränsas till 50 µa för icke-isolerade ledningar och till 10 µa för isolerade ledningar (används med katetrar / elektroder som gör anslutning till hjärtat) Läckström mellan två ledningar, eller mellan en enskild ledning och andra patientanslutningar bör också kontrolleras Läckage då nätspänning förekommer på patienten bör också begränsas.

10 Leakage Current Limits Class 1 Elektriska apparater Ej för patientkontakt Ej avsedda för patientkontakt och enstaka fel Oisolerade patientkablar OIsolerade kablar och enstaka fel Isolerade patientkablar Isolerade kablar med enstaka fel Chassi läckage, µa Patientkabel läckage, µa 100 N/A 500 N/A Utrustning där skyddet mot elchock inte enbart förlitar sig på grundisolering. Den innehåller någon form av extra säkerhetsåtgärd, vilket innebär att anslutning av utrustningen till skyddsjordledare i den fasta installationens ledningar skall vara på ett sådant sätt att åtkomliga metalldelar inte kan bli strömförande i händelse av ett fel i den grundläggande isoleringen Class 2 Typ B Body Utrustning där skyddet mot elchock inte enbart förlitar sig på grundisolering, utan i vilken ytterligare säkerhetsåtgärder såsom dubbel isolering eller förstärkt isolering finns. Det finns dock inga bestämmelser för skyddsjordning eller tillit till installationsförhållanden Utrustning som ger en viss grad av skydd mot elektriska stötar, särskilt beträffande: Tillåten läckström Tillförlitlighet för skyddsjordning om den finns

11 Typ BF Body floating Typ CF Cardiac floating Utrustning B med en F-typ använd del (den använda delen är isolerad från alla andra delar av utrustningen i en sådan grad att patientens tillåtna läckström vid ett första fel inte överskrids när en spänning lika med 1,1 gånger den högst rankade nätspänningen appliceras mellan den använda delen & jord) Utrustning som ger ett visst skydd högre än för typ BF-utrustning mot elektriska stötar i synnerhet avseende tillåtna läckströmmar, och som har en F- typ använd del Symbols 43