DE2104574A1 - Schutzvorrichtung für Patienten und medizinisches Instrumentsystem mit ein gebauter Schutzvorrichtung - Google Patents

Description

DH. ING. E. HOFFMANN DIPL. ING. W. EITLE · DR. REK. NAT. K. HOFFMANN

PATENTANWÄLTE D-8000 MDNCHEN 81 . ARABELLASTRASSE 4 . TELEFON (0811) 911087

SCI Systems, Inc., Huntsville, Alabama/USA

Schutzvorrichtung für Patienten und medizinisches Instrumentsystem mit eingebauter Schutzvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für Patienten zur Verwendung mit medizinischen Instrumenten und ein medizinisches Instrumentsystem, in welches diese Schutzvorrichtung eingebaut ist. Sie betrifft insbesondere Vorrichtungen zum Schützen von Patienten vor elektrischen Schocks von medizinischen Instrumentausrüstungen.

Das Problem, Patienten vor Schocks von elektrischen medizinischen Instrumenten zu schützen, ist sowohl ernst als auch schwierig zu lösen. Das Problem ist ernst, weil jedes Jahr in Krankenhäusern eine wesentliche Anzahl von Verletzungen und Todesfällen infolge Tötung durch elektrische Einwirkung bei Patienten auftreten. Das Problem ist schwierig zu lösen, weil die ständig

-2-109834/110S

wachsende Zunahme von in Gebrauch befindlichen medizinischen elektronischen Ausrüstungen die Potentialquellen für Schocks für den Patienten stark vermehrt. Weiter ist bei Geräten, bei welchen in das Fleisch oder die Blutgefäße des Patienten eingeführte Sonden verwendet werden, ζαγ Verursachung dauernder Schaden oder des Todes des Patienten wesentlich weniger Stromfluß durch den Patienten erforderlich, als bei der Verwendung äußerer Sonden. Die Ströme durch die Patienten müssen daher für maximale Sicherheit jederzeit auf sehr geringe Werte begrenzt werden. Viele medizinischen elektronischen Geräte erfordern jedoch einen Weg niedriger Impedanz zwischen dem Patienten und Erde. Diese Forderung macht es schwierig, den Strom auf sehr geringe Werte zu begrenzen.

Entsprechend den obigen Ausführungen ist es das Hauptziel der Erfindung, eine medizinische Instrumentvorrichtung zu schaffen, welche den Fluß eines elektrischen Stromes durch den Körper eines Patienten auf eine sehr geringe Höhe begrenzt und trotzdem zufriedenstellende Erdverbindungen für die elektrische Ausrüstung ergibt. Weiter soll eine solche Ausrüstung relativ einfach im Aufbau, verläßlich im Betrieb und billig in der Herstellung und in der Wartung sein.

Dieses Ziel wird erreicht durch eine Schutzvorrichtung, welche erfindungsgemäß umfaßt eine Einrichtung mit variabler Impedanz zur Darstellung einer relativ niedrigen Impedanz für Ströme unter einer vorbestimmten Maximalhöhe und zum Ändern der Impedanz auf einen relativ hohen Wert für Ströme über dieser Maximalhöhe, .wobei die Einrichtung variabler Impedanz während des Betriebs der Vorrichtung zwischen einem Patienten und Erde schaltbar ist.

Entsprechend der Erfindung wird also eine Schutzvorrichtung für Patienten geschaffen, bei welcher in einem medizinischen Instrumentsystem eine Einrichtung mit bevorzugter Leitung in einer Richtung zwischen den Patienten und Erde geschaltet ist.

109834/1105

Eine Konstantstromquelle führt der Einrichtung mit Leitung in einer bevorzugten Richtung einen Vorstrom in Durchlaßrichtung zu, und der Stromfluß zwischen dem Patienten und Erde ist auf die Höhe des Vorstromes in Durchlaßrichtung begrenzt.

Weiterbildungen der Erfindung und zweckmäßige Ausführungsformen ergeben sich aus den Ansprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschiteben, wobei sich auch weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines nach der Erfindung aufgebauten medizinischen Instrumentsystems, und

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein medizinisches Instrumentsystem XO mit einer entsprechend der Erfindung aufgebauten Erdstromschutzeinrichtung, Die Erdstromschutzeinrichtung besteht aus einem Strombegrenzungskreis mit einer konstanten Stromquelle 12 und einer Brückenschaltung 14 mit Dioden als Gleichrichter für Vollwellengleichrichtung. Die Meßleitungen JO eines medizinischen Geräts 28 sind mit einem Patienten J>2. verbunden. Das Gerät hat eine Erdverbindung 24 des Geräts und eine Erdverbindung 26 der Energieversorgung. Der Körper des Patienten j52 ist über die Brückenschaltung 14 mit der Erdverbindung 24 des Geräts verbunden.

Die Brückenschaltung 14 besteht aus vier entsprechend zusammengeschalteten Siliziumdioden 16, 18, 20 und 22. Die positive Ausgangsklemme der Stromquelle 12 ist mit der Ecke der Brücke verbunden,welche zu den Anoden der Dioden 16 und 18 führt.Die negative Klemme der Stromquelle 12 ist mit den Kathoden der Dioden 20 und 22 verbunden. Auf diese Weise versorgt die Stromquelle 12 alle Dioden in der Brükkenschaltung 14 mit einem Durchlaßvorstrorn. Die Vorbindung

-4-1 0 9 8 3 k / i 1 υ 5

-inzwischen der Kathode der Diode 16 und der Anode der Diode 22 ist mit der Erdverbindung 24 des Geräts verbunden, und die gegenüberliegende Ecke der Brücke ist mit dem Patienten über eine Leitung j34 verbunden.

Bei modernen medizinischen elektronischen Ausrüstungen ist oft ein Weg geringer Impedanz vom Patienten zur Erde erforderlich. Derartige Ausrüstungen sind z.B. Aufzeichnungsgeräte bei Elektrokardiographen, Elektroenzephalographen usw. Das Gerät 20 kann eines dieser Geräte sein. Wenn die Brücke ausgeglichen ist, d.h. wenn kein Strom vom Patienten zur Erde fließt, ist die Impedanz über die Brücke zwischen dem Patienten und Erde gleich der Durchlaßimpedanz der Dioden 16 und 18 parallel mit der Durchlaßimpedanz der Dioden 20 und 22. Die Impedanz ist niedrig, und die Brükke ergibt so tatsächlich den Weg niedriger Impedanz, welcher für die elektronische Ausrüstung bzw. das Gerät 28 erforderlich ist. Z.B. ist die Durchlaßimpedanz jeder Diode bei 5 Mikroampere Vorstrom 20 000 0hm. Die Gesamtimpedanz jedes Zweiges des Wegs durch die Brücke ist 40 000 Ohm, und die entsprechende gesamte Brückenimpedanz ist 20 000 0hm. Die Impedanz ist relativ niedrig, so daß der Weg durch die Brücke der für das Gerät 28 erforderliche Weg niedriger Impedanz ist. Wenn eine Diode in Sperrichtung beaufschlagt wird, nehmen ihre Impedanz und die Brückenimpedanz einen sehr großen Wert an, z.B. 100 MegOhm und mehr.

Wenn ein Strom vom Patienten j52 zur Erde 24 zu fließen beginnt, nimmt der Stromfluß in den Dioden 18 und 22 ab, während der Strom in den Dioden 16 und 20 zunimmt, bis schließlich die Dioden 18 und 22 in Sperrichtung beaufschlagt werden und für einen zusätzlichen Stromfluß eine sehr hohe Impedanz darstellen. Der Strom, bei welchem dies auftritt, ist gleich dem von der Stromquelle 12 zugeführten Vorstrom, Ähnlich werden, wenn ein Strom von Erde 24 zu dem Patienten 32 fließt, die Dioden 16 und 20 in Sperrichtung beaufschlagt, wenn der Strom die Höhe des von der Stromquelle 12 zugeführten Stromes erreicht, und der Strom nimmt hierauf nicht

-'■>109834/1105

mehr wesentlich zu. Auf diese Weise wird der Stromfluß zwischen dem Patienten und Erde auf den von der Stromquelle 12 zugeführten Strom begrenzt.

Es wurde festgestellt, daß zum Schütze von Patienten gegen einen elektrischen Schock der Strom von den elektrischen Instrumenten durch ihren Körper auf höchstens 10 Mikroampere, d.h.10 Millionstel Ampere begrenzt werden sollte. Da das Instrumentsystem 10 den Stromfluß durch den Körper des Patienten auf den Ausgangsstrom der Stromquelle 12 begrenzt, wird der Ausgangsstrom der Stromquelle 12 vorzugsweise bei oder unter 10 Mikroampere gehalten.

Fig. 1 zeigt zwischen gestrichelten Linien eine Fehlerspannungsquelle 36i welche über eine Leitung 37 mit der Erde der Energieversorgung, verbunden ist. Eine solche Fehlerspannungsquelle könnte z.B. eine fehlerhafte Energieversorgung eines anderen mit dem Patienten verbundenen Geräts sein. In einem solchen Falle wird der Patient, statt durch den elektrischen Strom getötet zu werden, keinen ungünstigen Wirkungen ausgesetzt, weil die Strombegrenzungseinrichtung den Strom durch den Körper des Patienten auf 10 Mikroampere begrenzt.

Die Erdverbindung zur Energieversorgung wird z.B. über die übliche Wechselspannungssteckdose in Krankenhäusern und zuhause oder über andere bekannte Einrichtungen hergestellt.

Die Stromquelle 12 für konstanten Strom kann eine einer Anzahl von bekannten Einrichtungen mit hoher Impedanz sein, z.B. eine bekannte Konstantstromquelle unter Verwendung von Feldeffekttransistoren oder bipolaren Transistoren.

Die Brückenschaltung 14 als Gleichrichter kann aus einzelnen Teilen zusammengesetzt sein, oder sie kann eine einer Anzahl von Vollwellengleichrichtereinrichtungen sein, welche als vollständige Einheit verkauft werden. Eine solche Einheit, welche sich als zufriedenstellend herausgestellt hat, wird von der Varo

109834/1105 _6-

Corporation unter der Kennummer "VE 48" verkauft.Die Durchschlagspannung der Brücke sollte zumindest gleich der maximalen in dem System verwendeten Signalspannung sein. Eine Durchschlagspannung von mindestens 40C ^T]rolt .at sich als zufriedenstellend herausgestellt.

Die oben beschriebene Schutzschaltung für den Patienten erfüllt eine zweifache Funktion. Sie sieht eine Erdverbindung niedriger Impedanz zum Patienten vor, welche bei manchen Arten von modernen medizinischen oder elektronischen Geräten erforderlich ist, und sie begrenzt trotzdem den Stromfluß durch den Körper des Patienten im Falle von Fehlern oder anderen Potentialquellen für elektrische Schocks auf Ströme, welche nach allgemeiner Kenntnis unter den maximalen Sicherheitspegeln liegen. Die Schutzvorrichtung für den Patienten ist einfach, relativ billig und verläßlich.

Fig. 2 zeigt eine andere AusfUhrungsform der Erfindung, welche mit einigen Ausnahmen der in Fig. 1 gezeigtenAusführungsform gleicht. Zur Bezeichnung gleicher Teile sind in beiden Figuren die gleichen Bezugsziffern verwendet.

Einer der Unterschiede des in Fig. 2 gezeigten Systems gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten besteht darin, daß die Konstantstromversorgung von zwei getrennten, in Reihe geschalteten konstanten Stromquellen 12 gebildet wird, wobei der gemeinsame Punkt zwischen den beiden Stromquellen über eine Leitung 38 mit der Erdverbindung 24 verbunden ist. Jede der Stromquellen 12 erzeugt einen konstanten Strom von 10 Mikroampere, und die Brückenschaltung 14 arbeitet wie oben beschrieben. Die Verwendung zweier Stromquellen 12 anstatt einer kann die Kosten des Systems dadurch verringern, daß sie die Verwendung von allgemein verfügbaren, relativ billigen Energieversorgungen ermöglicht, welche in bezug auf Erde positive und negative Spannungen erzeugen, anstatt die manchmal teuere erdfreie Energieversorgung verwenden

-7-10 9-83 4/ i I U 5

zu müssen, welche für das in Pig. I gezeigte System erforderlich ist.

Fig. 2 zeigt weiter zusätzlich zum Patienten 3>2 einen zweiten Patienten 42 und ein zweites mit dem Patienten 42 verbundenes medizinisches elektrisches Gerät 28 sowie ein drittes medizinisches Gerät 40, welches ebenfalls über ein Paar Signalleitungen 44 mit dem Patienten 42 verbunden ist. Das Gerät 40 ist über eine Leitung 48 mit seiner Geräteerde verbunden.

Die Erdverbindung der Energiequelle für das Gerät 40 ist so gezeigt, als ob sie an der Stelle 50 gebrochen wäre. Unter diesen Umständen könnte ein Strom von dem Gerät 40 durch den Patienten 42 zur Erdverbindung 26 der Energieversorgung erzeugt werden. Die erfindungsgemäße Strombegrenzungsschaltung verhindert jedoch einen derartigen Stromfluß und verhindert so eine Verletzung des Patienten 42.

Die Erfindung kann auf verschiedene Arten benutzt werden, um beträchtliche Anzahlen von Patienten in Krankenhäusern oder ähnlichen Plätzen zu schützen. Eine dieser Arten besteht darin, jeden Patienten mit seiner eigenen, individuellen Begrenzungsschaltung wie in Fig. 1 gezeigt, zu schützen.Eine andere Art besteht darin, nur eine einzige Erdverbindung und nur einen Begrenzer in der Erdverbindung vorzusehen, wie es .in Fig. 2 gezeigt ist. In beiden Anordnungen führt die Erfindung zu maximaler Sicherheit für die Patienten.

Die obige Beschreibung der Erfindung ist als Darstellung und nicht als Begrenzung gedacht. Verschiedene Änderungen oder Modifikationen in den beschriebenen Ausführungsformen werden dem Fachmann klar werden und lassen sich ohne Abweichung vom Gedanken der Erfindung, wie er sich insbesondere aus den Ansprüchen ergibt, durchführen.

• -8-1 0 9 Ü i h ι 1 1 u 5

Claims (8)

1. - 8 Patentansprüche

   Γ1.)Schutzvorrichtung für Patienten zur Verwendung mit medizinischen Instrumenten, gekennzeichnet durch eine Einrichtung mit variabler Impedanz zur Darstellung einer relativ niedrigen Impedanz für Ströme unter einer vorbestimmten Maximalhöhe und zum Ändern der Impedanz auf einen relativ hohen Wert für Ströme über dieser Maximalhöhe, wobei die Einrichtung (12, 14) variabler Impedanz während des Betriebes der Vorrichtung zwischen einem Patienten (52, 42) und Erde (24, 26) scfcätbar ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung variabler Impedanz aus einer zwischen einem Patienten (32, 42) und Erde (24, 26) schaltbaren Einrichtung (14) mit bevorzugter Leitung in einer Richtung und einer Konstantstromversorgung (12) zur Zufuhr eines Vorstromes in Durchlaßrichtung der Einrichtung mit bevorzugter Leitung in einer Richtung besteht.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung mit bevorzugter Leitung in einer Richtung aus einer Brückenschaltung (14) mit Dioden für Vollweggleichrichtung besteht, von welcher zwei entgegengesetzte Ecken mit der Konstantstromversorgung (12) für die Zufuhr eines Vorstromes in Durchlaßrichtung zu jeder der Dioden (16, 18, 20, 22) in der Brückenschaltung verbunden sind, und daß Einrichtungen zur Verbindung einer der anderen Ecken der Brückenschaltung (14) mit Erde (24, 26) und der übrigen Ecke mit einem Patienten (j52, 42) vorgesehen sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromversorgung aus zwei getrennten Stromquellen (12) besteht, von welchen die eine mit einer der entgegengesetzten und die andere mit der anderen der entgegengesetzten Ecken verbunden ist, wobei die Stromquellen in Reihe geschaltet sind und die gemeinsame Verbindung (38) zwischen ihnen mit Erde (24) verbunden ist.

   -9-1 0 9 8 3 4 / ι Ι υ 5

   -Q-
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Klemme der Konstantstromversorgung mit den Anoden von zwei Dioden (16, 18) und die negative Klemme der Konstantstromversorgung mit den Kathoden der anderen beiden Dioden' (20, 22) verbunden ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein physiologisches elektrisches Gerät (28) mit einer Erdklemme an Erde (24, 26) gelegt und mit mindestens einer Signalklemme mit dem Patienten (32, 42) verbunden ist. μ
7. 7· Medizinisches Instrumentsystem mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl elektrischer physiologischer Geräte (28, 40), von denen jedes eine Erdleitung für Geräteerde aufweist, Einrichtungen zur Verbindung der Erdleitungen miteinander zur Bildung eines gemeinsamen Geräteerdpunkts, und Einrichtungen zum Schalten der Einrichtung (14) mit bevorzugter Leitung in einer Richtung zwischen dem gemeinsamen Geräteerdpunkt und mindestens einem Patienten (32, 42) zur Begrenzung der Strommenge, welche .zwischen dem Patienten (32, 42) und dem Geräteerdpunkt fließen kann.
8. 8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, ™ daß die Verbindungseinrichtungen Einrichtungen zum Schalten der Einrichtung (14) mit bevorzugter Leitung in einer Richtung zwischen den gemeinsamen Geräteerdpunkt und eine Mehrzahl von Patienten (32, 42) umfassen.

   1 0 9 8 3 A / i 1 0 5

   AO

   Leerseite