DE2104574A1 - Protection device for patients and medical instrument system with a built-in protection device - Google Patents
Protection device for patients and medical instrument system with a built-in protection deviceInfo
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Description
DH. ING. E. HOFFMANN DIPL. ING. W. EITLE · DR. REK. NAT. K. HOFFMANNDH. ING. E. HOFFMANN DIPL. ING. W. EITLE DR. REK. NAT. K. HOFFMANN
PATENTANWÄLTE D-8000 MDNCHEN 81 . ARABELLASTRASSE 4 . TELEFON (0811) 911087PATENTANWÄLTE D-8000 MDNCHEN 81. ARABELLA STREET 4. TELEPHONE (0811) 911087
SCI Systems, Inc., Huntsville, Alabama/USASCI Systems, Inc., Huntsville, Alabama / USA
Schutzvorrichtung für Patienten und medizinisches Instrumentsystem mit eingebauter SchutzvorrichtungProtection device for patients and medical instrument system with built-in protection
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.The invention relates to a protective device for patients for use with medical instruments and a medical one Instrument system in which this protective device is built. It relates in particular to devices for Protect patients from electrical shock from medical instrumentation.
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 ständigThe problem, patients from shocks from electrical medical Protecting instruments is both serious and difficult to solve. The problem is serious because every year in hospitals a significant number of patient injuries and deaths from electrical kills occur. The problem is difficult to solve because it's constantly
-2-109834/110S -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.The increasing use of medical electronic equipment in use greatly increases the potential sources of shock to the patient. Next, ζαγ causing permanent damage or death of the patient is less current flow essentially required by the patient for devices, the patient introduced probes are used in which the meat or the blood vessels, as in the use of external probes. The currents through the patient must therefore be limited to very low values at all times for maximum safety. However, many medical electronic devices require a low impedance path between the patient and ground. This requirement makes it difficult to limit the current to very low values.
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.According to the above, it is the main object of the invention to provide a medical instrument device, which limits the flow of an electrical current through a patient's body to a very low level and yet provides satisfactory ground connections for electrical equipment. Furthermore, such equipment should be relatively simple in the Construction, reliable in operation, and inexpensive to manufacture and maintain.
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.This object is achieved by a protective device which, according to the invention, comprises a device with variable impedance for displaying a relatively low impedance for currents below a predetermined maximum level and for changing the impedance a relatively high value for currents above this maximum height, where the means of variable impedance is switchable between a patient and earth during operation of the device.
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.According to the invention, a protective device for patients is created in which in a medical Instrument system means a device with preferential conduction in one direction between the patient and earth.
109834/1105109834/1105
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.A constant current source leads the device with line in one preferred direction to a forward bias, and the flow of current between the patient and earth is at the level of the bias limited in the forward direction.
Weiterbildungen der Erfindung und zweckmäßige Ausführungsformen ergeben sich aus den Ansprüchen.Further developments of the invention and useful embodiments emerge from the claims.
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:Embodiments of the invention are shown in the drawing and will be described in more detail below, with also further objects and advantages of the invention result. Show it:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines nach der Erfindung aufgebauten medizinischen Instrumentsystems, undFig. 1 is a schematic circuit diagram of a constructed according to the invention medical instrument system, and
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung.Fig. 2 is a schematic circuit diagram of another embodiment the invention.
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.1 shows a medical instrument system XO with a ground current protection device constructed according to the invention. The ground current protection device consists of a current limiting circuit with a constant current source 12 and a bridge circuit 14 with diodes as rectifiers for full-wave rectification. The measuring lines JO of a medical device 28 are with a patient J> 2. tied together. The device has a ground connection 24 of the device and a ground connection 26 of the power supply. The body of the patient j52 is connected via the bridge circuit 14 to the earth connection 24 of the device.
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 VorbindungThe bridge circuit 14 consists of four correspondingly interconnected Silicon diodes 16, 18, 20 and 22. The positive output terminal of the current source 12 is connected to the corner of the bridge which leads to the anodes of the diodes 16 and 18. The negative terminal of the Power source 12 is connected to the cathodes of diodes 20 and 22. In this way, the power source 12 supplies all diodes in the bridge circuit 14 with a Durchlaßvorstrorn. The pre-binding
-4-1 0 9 8 3 k / i 1 υ 5-4 -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.-between the cathode of diode 16 and the anode of diode 22 is connected to the ground connection 24 of the device, and the opposite corner of the bridge is wired to the patient j34 connected.
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.Modern medical electronic equipment often requires a low impedance path from the patient to ground. Such equipment is, for example, recorders in electrocardiographs, electroencephalographs, etc. The device 20 can be one of those devices. When the bridge is balanced, i.e. when there is no current flowing from the patient to earth, the impedance is across the bridge between the patient and earth equals the forward impedance of diodes 16 and 18 in parallel with the forward impedance of diodes 20 and 22. The impedance is low, and the bridge thus actually results in the low impedance path required for the electronic equipment or device 28. E.g. the forward impedance of each diode is at 5 microamps bias current 20,000 ohms. The total impedance of each branch of the path through the bridge is 40,000 ohms, and the corresponding total bridge impedance is 20,000 ohms. The impedance is relatively low, so the path through the bridge is that required for device 28 Way is low impedance. When a diode is biased in the reverse direction, its impedance and the bridge impedance decrease shows a very large value, e.g. 100 megohms and more.
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 nichtWhen a current begins to flow from patient j52 to earth 24, the current flow in diodes 18 and 22 decreases, while the current in diodes 16 and 20 increases, until finally diodes 18 and 22 are applied in the reverse direction and represent a very high impedance for an additional current flow. The current, at which this occurs is equal to the bias current supplied by the power source 12. Similarly, if a current from earth 24 flows to the patient 32, the diodes 16 and 20 in the reverse direction applied when the current reaches the level of the current supplied by the current source 12, and the current does not increase thereupon
-'■>109834/1105 - '■> 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.more essential too. In this way, the flow of current between the patient and ground is reduced to that supplied by the power source 12 Current limited.
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.It has been found to protect patients against one electric shock the current from the electrical instruments through your body to a maximum of 10 microamps, i.e. 10 millionths Amps should be limited. Since the instrument system 10 the current flow limited by the patient's body to the output current of the power source 12, the output current of the power source 12 is preferably held at or below 10 microamps.
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.1 shows, between dashed lines, a fault voltage source 36 i which is connected via a line 37 to the earth of the power supply. Such a fault voltage source could, for example, be a faulty energy supply to another device connected to the patient. In such a case, instead of being killed by the electric current, the patient is not exposed to adverse effects because the current limiting device limits the current through the patient's body to 10 microamps.
Die Erdverbindung zur Energieversorgung wird z.B. über die übliche Wechselspannungssteckdose in Krankenhäusern und zuhause oder über andere bekannte Einrichtungen hergestellt.The earth connection to the energy supply is e.g. via the usual AC socket in hospitals and at home or via other known facilities.
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.The constant current power source 12 may be any of a number of known high impedance devices, e.g. known constant current source using field effect transistors or bipolar transistors.
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 VaroThe bridge circuit 14 as a rectifier can consist of individual Pieces assembled, or it can be one of a number of full wave rectifying devices, which are considered complete Unit to be sold. One such unit, which has been found to be satisfactory, is the Varo
109834/1105 _6-109834/1105 _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. Corporation sold under ID number "VE 48". The breakdown voltage of the bridge should be at least equal to the maximum signal voltage used in the system. A breakdown voltage of at least 40C T] r olt .at has been found to be satisfactory.
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.The protective circuit for the patient described above fulfills a dual function. She sees an earth connection lower Impedance to the patient, which is required in some types of modern medical or electronic equipment, and it nevertheless limits the flow of current through the patient's body in the event of errors or other sources of potential for electrical power Shocks to currents which, according to general knowledge, are below the maximum safety level. The protection device for the patient is simple, relatively cheap and reliable.
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.Fig. 2 shows another embodiment of the invention, which is similar to the embodiment shown in FIG. 1 with a few exceptions. Identical parts are used in both figures the same reference numerals are used.
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 verwendenOne of the differences between the system shown in FIG. 2 and that shown in FIG. 1 is that the constant current supply is formed by two separate constant current sources 12 connected in series, the common point being between the two power sources via a line 38 to the earth connection 24 is connected. Each of the power sources 12 generates a constant current of 10 microamps, and the bridge circuit 14 works as described above. Using two power sources 12 instead of one can add cost to the system reduce that it enables the use of commonly available, relatively inexpensive power supplies, which create positive and negative voltages with respect to earth instead of using the sometimes expensive floating power supply
-7-10 9-83 4/ i I U 5-7-10 9-83 4 / i I U 5
zu müssen, welche für das in Pig. I gezeigte System erforderlich ist.to have which one for that in Pig. System I shown required is.
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.Fig. 2 also shows a second patient in addition to patient 3> 2 Patient 42 and a second connected to patient 42 medical electrical device 28 and a third medical device 40, which also has a pair of signal lines 44 is connected to the patient 42. The device 40 is over a line 48 connected to its device ground.
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.The power source earth connection for device 40 is shown as as if it had broken at point 50. Under these In some circumstances, a current could be generated from the device 40 through the patient 42 to the ground connection 26 of the power supply. However, the current limiting circuit according to the invention prevents such a current flow and thus prevents a violation of the Patient 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.The invention can be used in various ways to protect significant numbers of patients in hospitals or similar places. One of these ways is to protect each patient with their own individual limiting circuit as shown in Fig. 1. Another way is to have only a single earth connection and only one limiter in the earth connection as shown in FIG is. In both arrangements, the invention leads to maximum safety for the patient.
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.The above description of the invention is intended to be illustrative and not limiting. Various changes or modifications in the embodiments described will become clear to the person skilled in the art and can be understood without departing from the concept the invention, as it emerges in particular from the claims, perform.
• -8-1 0 9 Ü i h ι 1 1 u 5 • -8- 1 0 9 Ü ih ι 1 1 u 5
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