生物组织动态阻抗建模与测量安全性-基于数学和电气建模的方法和医疗设备的电气安全标准

© 2013由Elsevier B.V.发布。由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审命名法ZReRiCȦ复阻抗代表细胞外液的电阻代表细胞内介质的电阻细胞膜的角频率可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 6（2014）12 - 182013第二届AASRI计算智能与生物信息学动态生物电阻抗的建模与测量安全性Georgios Giannoukos *，Mart Min爱沙尼亚塔林理工大学电子系摘要本文是基于数学和电气建模的活组织和他们的生物电阻抗。阻抗是复杂的，动态的，取决于频率并随时间变化。本文介绍了生物组织的Morse-Debye模型等效电路、医疗设备的电气安全检查、医疗设备的标准以及如何测量泄漏电流。© 2014作者。出版社：Elsevier B. V.这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所关键词：生物阻抗;动态阻抗;生物物理建模;组织;频率;安全标准;漏电流。* 电子邮件地址：g.giannoukos@gmail.com。2212-6716 © 2014作者出版社：Elsevier B.诉 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所科学委员会负责的同行评审doi：10.1016/j.aasri.2014.05.003Georgios Giannoukos和Mart Min / AASRI Procedia 6（2014）1213R0RIJĮ零频率时的电阻特征弛豫时间常数值在0和11. 介绍生物电阻抗描述了生物体如何响应外部施加的电流。它可以定义为生物样本的阻抗。在Sparke-Morse模型[1]中，组织的等效电路Fig. 1. Fricke–Morse上述电路的阻抗等于：ZR1 jRiC1jC（RiRe）（一）组织的电导率和介电常数是频率相关的。这种现象被称为色散，色散有四种类型：色散、色散、色散和色散[2]。由于Sparke-Morse模型不太精确，因此提出了组织的Cole阻抗模型。Cole经验方程[3]由以下方程表示：R1（j）（二）例如，如果ε =1，我们得到了M-M模型，在该模型中，我们用恒定相位元件（CPE）代替了电容（德拜模型），CPE被描述为一个与频率相关的不完美电容器。CPE的阻抗为：ZCPE 1（jC）a（三）14Georgios Giannoukos和Mart Min / AASRI Procedia 6（2014）12适用于II类，所有类型均已应用部分限制：不少于50千克DB9801建议：没有HEI 95建议：是的当k =1时，CPE表现为理想电容器。2. 医疗器械为了确保安全的医疗环境和检测-防止对患者和用户的不良影响，电气安全检查可能是最重要的问题。为此，应用了某些控制协议-符合国际标准IEC 60601-1的标准。通过这些控制协议，检查医疗设备以确定它们的操作是否安全以及它们是否在指定的安全限制内，使得它们对患者和用户都正确地操作。本标准规定了针对可能危害的保护测试要求，包括电气接地保护、接地漏电流、患者漏电流和患者辅助电流，下文将对此进行分析。HEI 95和DB9801标准也被推荐用于医疗器械的检查[4]。为了正确检查医疗器械，有绝缘测试，以检查是否有泄漏电流。这些测试在一定的湿度水平下使用交流电流和测试设备。I类设备的测量电阻值应大于50 MHZ，但在某些罕见情况下可能会更小。适用于：I类，所有类型限制：不少于50千克DB9801建议：是的HEI 95建议：是的图二. I类器件图三.绝缘电阻测量装置II就第II类器件而言，电阻的量度值不应少于50兆欧姆 [4，5]。Georgios Giannoukos和Mart Min / AASRI Procedia 6（2014）12153. 医疗保健设施的电气安装标准3.1. 测量漏电流测量电路被设计为模拟人体的平均典型电气特性，以确保电流的可追踪模拟，就像流过人体一样，这些电路被称为人体模型或测量设备（IEC 60601-1标准中的MD）。下图显示了MD。见图4。测量装置（MD）3.2. 外壳漏电流从外壳或设备的其他可触及金属部件流到地或通过保护接地导体以外的另一导电路径流到外壳的另一部分的电流称为外壳漏电流。即使当保护接地导体通过除了保护接地导体的导电路径之外的另一导电路径不呈现不连续性时，这种电流也可能在壳体上流动。外壳漏电流测量的示意性解释如下图所示。图五.外壳漏电流3.3. 患者漏电流患者漏电流是指流经连接到应用部分的患者的漏电流。它可以通过患者从应用部分流到地面，也可以通过患者和应用部分从外部高电位源流到地面。患者因以下原因暴露于外部电压：16Georgios Giannoukos和Mart Min / AASRI Procedia 6（2014）12外部电压源会导致严重事故，尽管不太可能发生，但建议采取预防措施[6，7]。见图6。设备的患者漏电流和设备的患者漏电流检查患者漏电流分为两项检查，第一项检查流经应用部分和来自器械的电流，第二项检查由于存在外部电源而在患者体内出现电势差时流经应用部分的电流。对于第一次检查，所有电极都连接在一起，测量装置放置在保护接地导体和电极连接之间。在第二检查中，通过检查装置将外部电压施加到电极，并且在测量装置的端子和保护接地导体之间插入电源。特别是对于具有可触及金属部件的内部供电器械，在电极和外壳上的一点之间测量患者漏电流，并相应放置测量器械的端子。下图显示了患者漏电流测量的示意图见图7。患者漏电流3.4. 对地漏电流对地漏电流是指由于电容效应而从设备泄漏到保护接地导体的电流。如果保护接地导体中断，电流将通过患者泄漏到大地[6，7]。Georgios Giannoukos和Mart Min / AASRI Procedia 6（2014）1217见图8。分别给出了对地漏电流的路径和对地漏电流的测试电路3.5. 使用接地系统医疗设施不同于普通的家庭和工业场所，因为它们应在平稳运作的同时，增加一些安全要求。一个典型的例子是医院的紧急电力负载（例如手术室、血液冷藏室和重症监护室），在电力故障的情况下，这些电力负载由发电机供电。所有建筑物都应该有接地系统，以消除任何漏电的风险。因此，应该有一个具有三条线路的配电网络，负责绝缘。通常遇到的接地是工作接地和保护接地。接地和接地保护功能的区别如下接地功能对于电路的操作是必要的，并且接地保护被设计成保护人们免受到他们接触的电气设备的金属外壳的泄漏电流的影响。保护接地的工作方式如下所示，其中人体的电阻由两部分组成：核心（约500 Ω）和皮肤（1 Ω）。100公斤，取决于其湿度）[7]。见图9。(a)工作接地、（b）保护接地和电路保护接地电路说明皮肤越潮湿，电阻越小。当人接触到屏蔽电气设备的金属外壳时，会出现泄漏电流（上图中的（a）），那么泄漏电流会受到限制（电阻Ra），这取决于接地电路的总电阻值。漏电流的上述布置的等效电路如上图的（b）所示。从上面的等效电路我们可以看出，如果Req Ra，则Ir >> Ia18Georgios Giannoukos和Mart Min / AASRI Procedia 6（2014）12因此，为了获得最佳保护，我们应该寻求接近理论值R = 0的接地电阻值。实际上，接地电阻的总值只有几欧姆。根据上述，当没有保护接地装置时，或者接地电阻值很大（而人体的电阻很小），那么与各种电气设备的金属外壳接触的人就会有风险[7]。确认作者感谢Toomas Rang教授和Dr.Toomas Parve的支持和合作。引用[1] S. Cole，Membranes，Ions and Impulses，Berkeley：University of California Press，1972.[2] P. Schwan，组织和细胞悬浮液的电特性，Adv Biol Med Phys 5，1957，pp.147-209[3] S. 林文生，生物阻抗与生物电基础，北京：人民大学出版社，2000年。[4] 医疗设备信息编号95（HEI95）1981年8月：医用电气设备验收测试的实施规范（1999年12月撤回）[5] MDA器械公告DB 9801补充1：1999年12月-新交付医疗器械的检查和试验（2006年11月替换）[6] Geoff Cronshaw，《接地：您的问题解答》，IEE Wiring Matters，2005年[7] Merlin Gerin，电气安装指南，第E章：低压配电：接地方案，2008年