Elektronika w medycynie

Elektronika w medycynie
Pobierz PDF Download icon

Medycyna jest tą dyscypliną nauki, która nierozerwalnie kojarzy się ze specjalistycznym instrumentarium. Bez wspomagania przyrządami, jakie by one nie były, nie byłoby możliwe wykonanie nawet najprostszych zabiegów i operacji medycznych. Zanim pojawiła się elektronika radzono sobie różnymi, mniej lub bardziej wymyślnymi instrumentami mechanicznymi. O ile ułatwiały one pracę lekarzom, to nie przyczyniały się do rozwoju medycyny jako nauki. Stało się to możliwe dopiero po wprowadzeniu elektroniki.

Spis treści

Profesjonalna elektronika osobista i szpitalna

Rozpoczynamy wątek, który ma początek i nie ma końca. Elektronika znajduje zastosowanie dosłownie w każdej dziedzinie medycyny, nie sposób więc omówić dokładnie wszystkiego, co jest związane z tą tematyką. Siłą rzeczy zostaną tu zaprezentowane tylko przykłady medycznych przyrządów elektronicznych.

Rysunek 2. Stymulator serca (źródło: https://bit.ly/36rs87B)

Zaczynamy od urządzeń osobistych. Do tej grupy są zaliczane m.in. stymulatory serca, popularnie zwane rozrusznikami (rysunek 2). Wspomagają one pracę węzła zatokowo-przedsionkowego odpowiedzialnego za generowanie impulsów elektrycznych wywołujących skurcze. Konieczność wszycia stymulatora powstaje wtedy, gdy naturalna częstość tych impulsów staje się zbyt niska. Konsekwencją tego mogłaby być zbyt mała ilość krwi przepompowywanej przez serce.

Kardiostymulator, to urządzenie względnie proste. Jest to generator impulsów o napięciu od 0,5 V do 5 V i czasie trwania ok. 1 ms. Największym wyzwaniem technicznym dla konstruktorów i producentów jest zapewnienie bardzo długiego czasu pracy. Obecnie urządzenia te mogą działać prawidłowo na baterii wszywanej razem ze stymulatorem w czasie od 5 do 15 lat. Na szczęście operacja wszycia i ewentualnej wymiany baterii nie jest bardzo skomplikowana, trwa ok. godziny. Osoba z wszytym rozrusznikiem musi unikać pól magnetycznych i radiowych, nie może też poddawać się badaniu rezonansem magnetycznym.

Innym urządzeniem elektronicznym osobistego użytku jest aparat słuchowy. Trudno uwierzyć, że pierwsze urządzenie tego typu powstało już w roku 1901. Oczywiście nie miało ono nic wspólnego z konstrukcjami współczesnymi, a nawet tymi, które już pamiętamy. Jeśli ktoś kojarzy te urządzenia z topornymi tranzystorowymi rozwiązaniami sprzed kilkunastu, kilkudziesięciu lat, to może być nieźle zaskoczony, gdy pozna możliwości współczesnych aparatów słuchowych.

Obecnie są to urządzenia cyfrowe, często z wbudowanym interfejsem Bluetooth, pozwalającym przekierowywać dźwięk z telewizora czy smartfonu bezpośrednio do ucha. A nie jest to jeszcze koniec możliwości. Istnieją na przykład aparaty, które mogą być podpinane do pętli indukcyjnych w salach konferencyjnych, przez co możliwe staje się kierowanie głosu prelegenta bezpośrednio do słuchacza. Bardzo wygodną funkcją dla użytkownika jest automatyczna regulacja głośności, znacznie zwiększająca komfort odsłuchu.

Fotografia 8. Respirator (źródło: https://bit.ly/2Ip0I9Y)

Ciężkie czasy, jakie przeżywają ludzie na całej kuli ziemskiej związane z pandemią COVID-19 powodują, że wszystkim dobrze jest już znany termin respirator (fotografia 8). Rzeczywiście, jest to urządzenie ratujące życie wielu chorym. I w tym przypadku różnica między pierwszym egzemplarzem użytym w 1928 roku a urządzeniami współczesnymi jest kolosalna. Zmieniła się też zasada działania. Generalnie, zadaniem respiratora jest wspomaganie układu oddechowego człowieka. W pierwszym urządzeniu pacjent był zamykany w metalowej, szczelnej obudowie tak, ze tylko wystawała mu głowa. Dwie pompy dołączone do komory wytwarzały w niej podciśnienie wymuszające pogłębiony oddech chorego. Respirator był wielki, ciężki i pewnie dość głośno pracował.

Obecne konstrukcje działają na zupełnie innej zasadzie. Pacjent nie jest zamykany w żadnej komorze, a działanie respiratora ogranicza się do kontrolowanego wtłaczania odpowiednio nagrzanego i nawilżonego powietrza do płuc przez rurkę intubacyjną lub tracheotomijną. Sterowanie odbywa się mikroprocesorowo z zapewnieniem dużej precyzji. W każdym przypadku leczenie do przyjemnych nie należy, ale bywa ostatnią metodą utrzymania człowieka przy życiu. Gabaryty współczesnych respiratorów są na tyle małe, że mogą być używane nawet w warunkach domowych. Czynnikiem zaporowym jest jednak zwykle cena kształtująca się w okolicach 20...30 tysięcy złotych.

Fotografia 9. Urządzenia do resuscytacji: a) stanowisko stacjonarne, b) defibrylator przenośny

Kolejnym instrumentem ratującym życie jest stacjonarne stanowisko do resuscytacji (fotografia 9a) instalowane w warunkach szpitalnych. Resuscytacja polega na prowadzeniu masażu serca i sztucznego oddychania z zachowaniem odpowiedniego tempa tych czynności (30 uciśnięć/2 oddechy). Akcja może być wspomagana dodatkowymi impulsami generowanymi przez defibrylator (fotografia 9b). Oba urządzenia są używane do ratowania osób, u których wystąpiło nagłe zatrzymanie krążenia. Dostępne są modele defibrylatorów w pełni automatyczne lub półautomatyczne. Urządzenia przenośne są instalowane w wielu obiektach użyteczności publicznej. Szczegółowa instrukcja głosowa umożliwia obsługiwanie ich nawet przez osoby nieprzeszkolone, które znalazły się przypadkowo w okolicach zdarzenia. Każda minuta opóźnienia użycia tego instrumentu znacząco zmniejsza szanse przeżycia osoby z zatrzymaną akcją serca.

Fotografia 10. Pompa infuzyjna (źródło: https://bit.ly/2GY5bjG)

Podczas leczenia szpitalnego bardzo często zachodzi konieczność podawania precyzyjnych dawek leków rozłożonego w czasie. Lek w postaci płynnej jest w takich przypadkach umieszczany w specjalnej strzykawce zakładanej do pompy infuzyjnej (fotografia 10). Znajdujący się w niej siłownik bardzo powoli i precyzyjnie naciska na tłok strzykawki dawkując odpowiednio lek. Urządzenia te znajdują się w salach intensywnej terapii w każdym szpitalu, a nawet w karetkach reanimacyjnych.

Fotografia 11. Ultrasonograf

Była już mowa o badaniu światłem, przyszła kolej na badanie dźwiękiem. Termin USG jest zapewne dobrze znany każdemu, kto nie interesuje się medycyną czy nawet ogólnie techniką. USG, to ultrasonograf (fotografia 11), czyli urządzenie wykorzystujące fale dźwiękowe o dużej częstotliwości do „prześwietlania” wnętrza ciała. Ciało prześwietlaliśmy już promieniami rentgenowskimi, ale wszyscy dobrze wiedzą, że jest to metoda pozostawia pewien ślad w organizmie człowieka w postaci szkodliwych dawek promieniotwórczych. Ilość przyjętych w całym życiu takich dawek jest ograniczona, pracowano więc intensywnie nad metodami pozwalającymi zajrzeć do wnętrza organizmu przy użyciu metod nieinwazyjnych. Od kilkudziesięciu już lat w powszechnym użyciu znalazły się ultrasonografy. Urządzenia te emitują za pomocą odpowiedniej sondy fale ultradźwiękowe, które po odbiciu od organów wewnętrznych trafiają z powrotem do sondy zawierającej również detektor piezoelektryczny.

Zasada działania ultrasonografu opiera się na wyznaczonej i stałej prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w tkance ludzkiej. Dzięki temu, mierząc czas powrotu echa można określić odległość od danego fragmentu tkanki do detektora, i na tej podstawie sporządzić obraz wnętrza. Należy jednak pamiętać o tym, że ultradźwięków nie przepuszcza tkanka kostna ani powietrze w przewodach pokarmowych. Do ich badania technika USG nie nadaje się.

Fotografia 12. Bilirubinometr (źródło: https://bit.ly/3nkvG1Z)

Ostatnim urządzeniem tej grupy opisanym w artykule jest bilirubinometr (fotografia 12). Jest to urządzenie do bezinwazyjnego oznaczania poziomu bilirubiny u noworodków. Pomiar jest związany z naturalnie występującą żółtaczką u większości noworodków w okolicach drugiej doby po urodzeniu. Tradycyjna metoda pomiaru wymaga wielokrotnego nakłuwania, co nie jest ani przyjemne, ani bezpieczne, gdyż może powodować powikłania, np. zakażenia. Choroba najczęściej ustępuje sama, ale zdarzają się przypadki wymagające ingerencji lekarskiej, dlatego oznaczanie bilirubiny jest tak ważne. Elektroniczny bulirubinometr wykonuje ten pomiar przez skórę, bezboleśnie i szybko. Oznaczenie poziomu bilirubiny polega na skierowaniu wiązki białego światła na skórę niemowlaka i pomiarze natężenia odbitych promieni o określonej długości. Metoda tradycyjna wymaga pobrania próbki krwi, a następnie laboratoryjnego jej badania po uprzednim odwirowaniu.

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
grudzień 2020
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio czerwiec 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje maj 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów