Какие петли электрического тока (пути прохождения) через тело человека являются наиболее опасными?
В данной инструкции изложены основные функции сайта, и как ими пользоваться
Здравствуйте,
Вы находитесь на странице инструкции сайта Тестсмарт.
Прочитав инструкцию, Вы узнаете функции каждой кнопки.
Мы начнем сверху, продвигаясь вниз, слева направо.
Обращаем Ваше внимание, что в мобильной версии все кнопки располагаются, исключительно сверху вниз.
Итак, первый значок, находящийся в самом верхнем левом углу, логотип сайта. Нажимая на него, не зависимо от страницы, попадете на главную страницу.
«Главная» — отправит вас на первую страницу.
«Разделы сайта» — выпадет список разделов, нажав на один из них, попадете в раздел интересующий Вас.
На странице билетов добавляется кнопка «Билеты», нажимая — разворачивается список билетов, где выбираете интересующий вас билет.
«Полезные ссылки» — нажав, выйдет список наших сайтов, на которых Вы можете получить дополнительную информацию.
В правом углу, в той же оранжевой полосе, находятся белые кнопки с символическими значками.
- Первая кнопка выводит форму входа в систему для зарегистрированных пользователей.
- Вторая кнопка выводит форму обратной связи через нее, Вы можете написать об ошибке или просто связаться с администрацией сайта.
- Третья кнопка выводит инструкцию, которую Вы читаете. 🙂
- Последняя кнопка с изображением книги ( доступна только на билетах) выводит список литературы необходимой для подготовки.
Опускаемся ниже, в серой полосе расположились кнопки социальных сетей, если Вам понравился наш сайт нажимайте, чтобы другие могли так же подготовиться к экзаменам.
Следующая функция «Поиск по сайту» — для поиска нужной информации, билетов, вопросов. Используя ее, сайт выдаст вам все известные варианты.
Последняя кнопка расположенная справа, это селектор нажав на который вы выбираете, сколько вопросов на странице вам нужно , либо по одному вопросу на странице, или все вопросы билета выходят на одну страницу.
На главной странице и страницах категорий, в середине, расположен список разделов. По нему вы можете перейти в интересующий вас раздел.
На остальных страницах в середине располагается сам билет. Выбираете правильный ответ и нажимаете кнопку ответ, после чего получаете результат тестирования.
Справой стороны (в мобильной версии ниже) на страницах билетов располагается навигация по билетам, для перемещения по страницам билетов.
На станицах категорий расположен блок тем, которые были добавлены последними на сайт.
Ниже добавлены ссылки на платные услуги сайта. Билеты с ответами, комментариями и результатами тестирования.
В самом низу, на черном фоне, расположены ссылки по сайту и полезные ссылки на ресурсы, они дублируют верхнее меню.
Надеемся, что Вам понравился наш сайт, тогда жмите на кнопки социальных сетей, что бы поделиться с другими и поможете нам.
Если же не понравился, напишите свои пожелания в форме обратной связи. Мы работаем над улучшением и качественным сервисом для Вас.
С уважением команда Тестсмарт.
213.6. Какие петли электрического тока (пути прохождения) через тело человека являются наиболее опасными?
В данной инструкции изложены основные функции сайта, и как ими пользоваться
Здравствуйте,
Вы находитесь на странице инструкции сайта Тестсмарт.
Прочитав инструкцию, Вы узнаете функции каждой кнопки.
Мы начнем сверху, продвигаясь вниз, слева направо.
Обращаем Ваше внимание, что в мобильной версии все кнопки располагаются, исключительно сверху вниз.
Итак, первый значок, находящийся в самом верхнем левом углу, логотип сайта. Нажимая на него, не зависимо от страницы, попадете на главную страницу.
«Главная» — отправит вас на первую страницу.
«Разделы сайта» — выпадет список разделов, нажав на один из них, попадете в раздел интересующий Вас.
На странице билетов добавляется кнопка «Билеты», нажимая — разворачивается список билетов, где выбираете интересующий вас билет.
«Полезные ссылки» — нажав, выйдет список наших сайтов, на которых Вы можете получить дополнительную информацию.
В правом углу, в той же оранжевой полосе, находятся белые кнопки с символическими значками.
- Первая кнопка выводит форму входа в систему для зарегистрированных пользователей.
- Вторая кнопка выводит форму обратной связи через нее, Вы можете написать об ошибке или просто связаться с администрацией сайта.
- Третья кнопка выводит инструкцию, которую Вы читаете. 🙂
- Последняя кнопка с изображением книги ( доступна только на билетах) выводит список литературы необходимой для подготовки.
Опускаемся ниже, в серой полосе расположились кнопки социальных сетей, если Вам понравился наш сайт нажимайте, чтобы другие могли так же подготовиться к экзаменам.
Следующая функция «Поиск по сайту» — для поиска нужной информации, билетов, вопросов. Используя ее, сайт выдаст вам все известные варианты.
Последняя кнопка расположенная справа, это селектор нажав на который вы выбираете, сколько вопросов на странице вам нужно , либо по одному вопросу на странице, или все вопросы билета выходят на одну страницу.
На главной странице и страницах категорий, в середине, расположен список разделов. По нему вы можете перейти в интересующий вас раздел.
На остальных страницах в середине располагается сам билет. Выбираете правильный ответ и нажимаете кнопку ответ, после чего получаете результат тестирования.
Справой стороны (в мобильной версии ниже) на страницах билетов располагается навигация по билетам, для перемещения по страницам билетов.
На станицах категорий расположен блок тем, которые были добавлены последними на сайт.
Ниже добавлены ссылки на платные услуги сайта. Билеты с ответами, комментариями и результатами тестирования.
В самом низу, на черном фоне, расположены ссылки по сайту и полезные ссылки на ресурсы, они дублируют верхнее меню.
Надеемся, что Вам понравился наш сайт, тогда жмите на кнопки социальных сетей, что бы поделиться с другими и поможете нам.
Если же не понравился, напишите свои пожелания в форме обратной связи. Мы работаем над улучшением и качественным сервисом для Вас.
С уважением команда Тестсмарт.
Какие петли электрического тока (пути прохождения) через тело человека являются наиболее опасными?
В данной инструкции изложены основные функции сайта, и как ими пользоваться
Здравствуйте,
Вы находитесь на странице инструкции сайта Тестсмарт.
Прочитав инструкцию, Вы узнаете функции каждой кнопки.
Мы начнем сверху, продвигаясь вниз, слева направо.
Обращаем Ваше внимание, что в мобильной версии все кнопки располагаются, исключительно сверху вниз.
Итак, первый значок, находящийся в самом верхнем левом углу, логотип сайта. Нажимая на него, не зависимо от страницы, попадете на главную страницу.
«Главная» — отправит вас на первую страницу.
«Разделы сайта» — выпадет список разделов, нажав на один из них, попадете в раздел интересующий Вас.
На странице билетов добавляется кнопка «Билеты», нажимая — разворачивается список билетов, где выбираете интересующий вас билет.
«Полезные ссылки» — нажав, выйдет список наших сайтов, на которых Вы можете получить дополнительную информацию.
В правом углу, в той же оранжевой полосе, находятся белые кнопки с символическими значками.
- Первая кнопка выводит форму входа в систему для зарегистрированных пользователей.
- Вторая кнопка выводит форму обратной связи через нее, Вы можете написать об ошибке или просто связаться с администрацией сайта.
- Третья кнопка выводит инструкцию, которую Вы читаете. 🙂
- Последняя кнопка с изображением книги ( доступна только на билетах) выводит список литературы необходимой для подготовки.
Опускаемся ниже, в серой полосе расположились кнопки социальных сетей, если Вам понравился наш сайт нажимайте, чтобы другие могли так же подготовиться к экзаменам.
Следующая функция «Поиск по сайту» — для поиска нужной информации, билетов, вопросов. Используя ее, сайт выдаст вам все известные варианты.
Последняя кнопка расположенная справа, это селектор нажав на который вы выбираете, сколько вопросов на странице вам нужно , либо по одному вопросу на странице, или все вопросы билета выходят на одну страницу.
На главной странице и страницах категорий, в середине, расположен список разделов. По нему вы можете перейти в интересующий вас раздел.
На остальных страницах в середине располагается сам билет. Выбираете правильный ответ и нажимаете кнопку ответ, после чего получаете результат тестирования.
Справой стороны (в мобильной версии ниже) на страницах билетов располагается навигация по билетам, для перемещения по страницам билетов.
На станицах категорий расположен блок тем, которые были добавлены последними на сайт.
Ниже добавлены ссылки на платные услуги сайта. Билеты с ответами, комментариями и результатами тестирования.
В самом низу, на черном фоне, расположены ссылки по сайту и полезные ссылки на ресурсы, они дублируют верхнее меню.
Надеемся, что Вам понравился наш сайт, тогда жмите на кнопки социальных сетей, что бы поделиться с другими и поможете нам.
Если же не понравился, напишите свои пожелания в форме обратной связи. Мы работаем над улучшением и качественным сервисом для Вас.
С уважением команда Тестсмарт.
Влияние пути тока на исход поражения.
Практикой и опытами установлено, что путь прохождения тока в теле человека играет существенную роль в исходе поражения. Так, если на пути тока оказываются жизненно важные органы — сердце, легкие, головной мозг, то опасность поражения весьма велика, поскольку ток воздействует непосредственно на эти органы.
Если же ток проходит иными путями, то воздействие его на жизненно важные органы может быть лишь рефлекторным, а не непосредственным.
При этом опасность тяжелого поражения хотя и сохраняется, но вероятность ее резко снижается.
Кроме того, поскольку путь тока определяется местом приложения токоведущих частей (электродов) к телу пострадавшего, его влияние на исход поражения обусловливается еще и различным сопротивлением кожи на разных участках тела.
Возможных путей тока в теле человека, которые именуются также петлями тока, очень много. Однако характерными, обычно встречающимися в практике являются не более 15 петель, показанных на рис. 13.
Наиболее часто цепь тока через человека возникает по пути правая рука — ноги.
Однако, если рассматривать лишь те случаи прохождения тока через человека, которые вызывают утрату трудоспособности более чем на 3 рабочих дня (т.е. учитываемые несчастные случаи), то, как это видно из табл. 5, наиболее распространенным окажется путь рука — рука, который возникает примерно в 40 % случаев.
Путь правая рука — ноги занимает второе место — 20 %. Другие петли возникают еще реже.
Рис.
13. Характерные пути тока в теле человека (петли тока)
Опасность различных петель тока можно оценить, пользуясь данными табл. 5, по относительному количеству случаев потери сознания во время воздействия тока (третья графа таблицы). Опасность петли можно оценить также по значению тока, проходящего через область сердца: чем больше этот ток, тем опаснее петля. Предполагается, что при наиболее распространенных путях в теле человека через сердце протекает 0,4 — 7 % общего тока.
В табл. 5 эти токи указаны для каждой из рассматриваемых петель (четвертая графа).
Наиболее опасными являются петли голова — руки и голова — ноги, когда ток может проходить через головной и спинной мозг. К счастью, эти петли возникают относительно редко.
Следующий по опасности путь правая рука — ноги, который по частоте образования занимает второе место.
Примечания:
1. Во второй графе за 100 % приняты все несчастные случаи поражения током, повлекшие за собой утрату трудоспособности более чем на 3 рабочих дня.
2. Предполагается, что при воздействии шагового напряжения (путь тока нога — нога) пострадавшие теряли сознание (15 %) после падения на землю, т.е. когда возникал новый путь тока.
Наименее опасен путь нога — нога, который именуется нижней петлей и возникает при воздействии на человека так называемого напряжения шага.
Напряжения шага — напряжение между двумя точками на поверхности земли, на расстоянии 1 м одна от другой, которое принимается равным длине шага человека.
В этом случае через сердце проходит, очевидно, небольшой ток.
Опыты, проводившиеся с животными, подтвердили меньшую опасность этой петли. Например, собаки оставались живыми при прохождении тока от одной задней ноги к другой, к которым было приложено напряжение 900 В течение 12 с; в другом случае напряжение 6000 В прикладывалось кратковременно дважды. Опытам подвергались и кролики, к задним ногам которых подводилось напряжение 180 — 400 В на 0,5 — 12,5 с.
Кролики также оставались живыми. Здесь уместно еще раз напомнить, что при меньшем токе, протекающем через сердце, снижается лишь одна, хотя и самая грозная, опасность поражения током, а именно, опасность непосредственного воздействия тока на сердце. Опасность же непрямого (рефлекторного) действия тока на сердце и другие жизненно важные органы сохраняется.
Таблица 5
Характеристика наиболее распространенных путей тока в теле человека
| Путь тока | Частота возникновения данного пути тока, % | Доля терявших сознание во время воздействия
тока, % | Значение тока, проходящего через область сердца, % общего тока, проходящего через тело |
| Рука — рука | 3,3 | ||
| Правая рука — ноги | 6,7 | ||
| Левая рука — ноги | 3,7 | ||
| Нога — нога | 0,4 | ||
| Голова — ноги | 6,8 | ||
| Голова — руки | 7,0 | ||
| Прочие | - |
Отсюда следует, что и в случае нижней петли, т.
е. при небольшом токе, проходящем через сердце, также возможен смертельный исход вследствие его рефлекторного действия.
Кроме влияния рассмотренных физиологических факторов и условий окружающей природной среды на исход поражения влияют и другие факторы, хотя и в значительно меньшей степени.
Пол и возраст. У женщин, как правило, сопротивление тела меньше, чем у мужчин, а у детей — меньше, чем у взрослых, у молодых людей меньше, чем у пожилых. Объясняется это, очевидно, тем, что у одних людей кожа тоньше и нежнее, у других — толще и грубее.
Физические раздражения, возникающие неожиданно для человека; как-то болевые (уколы и удары), звуковые, световые и прочие воздействия — могут вызвать на несколько минут снижение сопротивления тела на 20 — 50 %.
Читайте также:
Рекомендуемые страницы:
Поиск по сайту
Факторы, влияющие на исход воздействия электрического тока на человека
На исход опасного и вредного воздействия на человека электрического тока влияют следующие факторы :
1)Величина тока.
Обычно человек начинает ощущать раздражающее действие переменного тока (50 Гц) при величине 0,5-1,5 мА. Такие токи называются пороговыми ощутимыми токами. При этих токах человек может самостоятельно отключиться от цепи. Затем, при повышении величины тока, действие его становится более сильным и при токах 8-25 мА боль становится трудно переносимой, а судороги мышц рук и ног становятся такими сильными, что человек не может самостоятельно освободиться от действия тока (разжать руку, отойти).
Пример :электросварщик, 35 лет, включая рубильник заметил, что из-за неисправности рубильника одна фаза оказалась неотключенной. При попытке устранить неисправность случайно коснулся правой рукой привода и получил поражение током. Руку оторвать от детали из-за судорожного сжатия пальцев не мог, более того, был прижат лбом к корпусу генератора, в результате чего получил ожог кожи лба и глубокие ожоги кисти. Сознание спутанное, произносит лишенные смысла слова, пытается встать, сорвать повязки.
Электромонтер, прикоснулся к токоведущему проводу грудной клеткой.
Вследствие судорожного сокращения мышц спины не мог оторваться от провода, пока не выключили ток.
Токи 6-25 мА называются пороговыми неотпускающими, а токи больше этих величин — неотпускающими токами.
Ток около 80-100 мА и более называют фибрилляционным. Фибрилляция — беспорядочное сокращение (подергивание) волокон сердечной мышцы и сердце не может обеспечить передвижение крови по сосудам. Сердце человека (в отличие от сердца собаки) не может спонтанно (самостоятельно) выходить из фибрилляционного состояния. Для восстановления работы сердца человека применяют дефибриллятор, подающий кратковременный пульс электрического тока напряжением в несколько тысяч вольт. При прохождении тока мышца сердца резко сокращается и затем после прекращения действия тока начинает работать нормально.
2)Продолжительность действия тока влияет на исход поражения чем меньше время действия тока, тем меньше вероятность опасного поражения человека, т.к. а)остановка дыхания происходит не мгновенно, а через определенное время, длительность которого пропорциональна величине тока; б)по мере действия электричества на человека сопротивление его тела уменьшается, а значит и возрастает сила тока; в)полный цикл работы сердца составляет около 1 секунды, причем в каждом цикле в течении 0,15-0,2 с.
сердце наиболее чувствительно к току (фаза Т), а в остальное время цикла сравнительно большие токи не вызывают фибрилляцию сердца; при кратковременном воздействии тока возможно несовпадение его действия с фазой Т (рис.44).
3)Путь тока (петля тока) в теле человека. Возможны различные пути в теле человека, предложена классификация (стандартные петли тока) из 10 петель тока. Наиболее тяжелое поражение вероятно, если на пути тока оказывается сердце, грудная клетка, головной или спинной мозг. Наиболее опасен путь тока :»рука-ноги», «рука-рука». Но надо иметь в виду, что имелись факты смертельного исхода при протекании тока через палец руки, с одной его стороны на другую.
4)Род и частота тока. Переменный ток частотой 50-60 Гц наиболее опасен и опасность почти не снижается до частоты 500 Гц. (рис.45) Однако постоянный ток — ниже порога ощущения — при быстром разрыве цепи дает очень резкие удары. В 1949 году В.Н.Чиколев писал :»Когда вы прикасаетесь к проводнику с постоянным током, то в момент прикосновения вы почувствуете сотрясение, затем вы ничего не почувствуете или мало чувствуете, когда через вас проходит ток; только когда отнимете руки от проводников, вы снова испытаете такое же состояние.
Совсем другое значение имеет переменный ток прикосновение происходит громадные сотрясения».
5)Сопротивление тела человека — зависит от :
1)состояния кожи (сухая, влажная, чистая и т.п.)
2)плотности и площади контакта
3)величины и частоты тока и приложенного напряжения
4)времени воздействия тока на человека
Однако необходимо отметить, что на теле человека имеется ряд определенных точек, наиболее чувствительных к электрическому току и имеющих пониженное сопротивление ему :поверхности лба, ладоней, подошв, шеи и др.
6)Индивидуальные особенности людей в значительной мере влияют на исход поражения. Характер воздействия одной и той же величины тока зависит от опасности состояния нервной системы и всего организма в целом, от возраста и состояния здоровья человека. Более подвержены воздействию электрического тока дети и пожилые люди или лица с заболеваниями нервной системы, сердца, легких. Для женщин пороговые значения тока в 1,5 раза ниже.
Фактор внимания — тяжелее воздействие, когда оно неожиданно.
Величина напряжения сама по себе не обуславливает тяжести поражения, но от величины напряжения зависит величина тока, проникающего в тело человека. Имеются случаи гибели людей при низком напряжении. Пример :1)Сборщик, 19 лет, на месте работы по уборке талого снега с металлического настила держал в руке за провода около патрона переносную лампу, второй сборщик подсоединял провода этой лампы к сети напряжением 36 В, в момент загорания лампы первый сборщик, даже не вскрикнув, упал. Вернуть его к жизни не удалось. При расследовании выяснилось, что провод у лампы был оголен, на руке больного имеется небольшая электрометка. Обувь пострадавшего была сырая. Умер от остановки дыхания. Опытным путем установлено сопротивление цепи тела пострадавшего рука-нога — 10 кОм, максимальный ток 10 мА.
2)Электромонтер, 21 год, при приемке стационарной сети в подвальном помещении пользовался переносной лампой, питаемой напряжением 12 В.
Лампа была подвешена вместе с проводом на перилах железной лестницы. Пострадавший взялся правой рукой за бухту кабеля с лампой, чтобы унести наверх, а левой рукой коснулся металлической лестницы и в этот момент вскрикнул и упал. Привести его в чувство не удалось. Опытом установлено сопротивление цепи рука-нога пострадавшего — 16-27 кОм, ток 1,2-4,5 мА.
3)Инженер-электрик, любитель-садовод, смонтировал сигнализирующее устройство с напряжением 12 В, по его замыслу цепь в 12 В, через протянутые х/б нитки замыкает постороннее лицо и прозвенит звонок, но замкнула цепь его жена, которая погибла при случайном касании шеей звонкового провода. Накануне шел дождь.
Нужно иметь ввиду, что смертельный исход после поражения электротоком может наступить неожиданно по истечении некоторого сравнительно большого промежутка времени.
Пример :1)От повреждения изоляции напряжение в 220 В оказалось в сети сварочного напряжения. Удар электрическим током почувствовали трое рабочих. Один из них сказал :»Ребята, надо сказать мастеру», — отправился через всю территорию стройки в помещение, где находился мастер на втором этаже.
Пострадавший сообщил о случившемся мастеру, сел на стул и умер. Вскрытие показало — умер от остановки дыхания.
2)Рабочий потерял сознание, попав под напряжение 220 В — цепь возникла между кистью руки и ногами, ему оказали первую помощь и пострадавший быстро пришел в себя, на носилках был доставлен в медпункт. После оказания помощи врачом, через два часа пострадавший заявил, что кроме слабости ничего не ощущает. Врач направил его домой, выдав больничный лист. Пострадавший начал одеваться, и в этот момент умер. Диагноз — сердечная недостаточность.
Поражения в сети 220 В со смертельным исходом зарегистрированы : мастер Бушковский В.А. — Вологодский р-н, Боданин Н.А. — Никольск, Корепин В.М. — колхоз «Красное знамя», Рогозин В.В. — Никольск — пытался убить быка электрическим током.
3)Дежурный техник, сдавая смену, показывал сменщику, что находится под напряжением. Говоря сменщику :»Вот эта шина под напряжением 10 кВ» ,- он взялся за нее руками. Получил ожоги. После 165 месяцев лечения в клинике, начал поправляться.
Накануне выписки из клиники, пострадавший умер, что явилось для лечащих врачей полной неожиданностью. Диагноз — сердечная недостаточность.
Хотя из сказанного и примеров ясно, что любой величины ток опасен и до сего времени нет четкого понимания причин смертельного исхода электропоражений, специальной комиссией научно-технического общества электрической промышленности установлены значения кратковременного допустимых токов и напряжений (см.Б.А.Князевского, с.37).
За допустимую величину тока можно считать ток 10 мА. Однако при работе на высоте, вблизи движущихся частей и т.п., когда резкие непроизвольные движения могут быть причиной несчастного случая, допустимый ток должен быть ниже порога ощущения (0,5 мА).
Электрический ток путь через тело человека
На исход поражения электрическим током влияет также и путь прохождения его через тело человека. Наиболее опасно прохождение тока через жизненно важные органы — сердце и легкие. На основании наблюдений выяснено, что опаснее всего случаи, когда ток проходит через правые руку и ногу, хотя сердце расположено в левой стороне тела.
Объясняется это тем, что ток движется не по кратчайшему расстоянию, а по более проводимым кровеносным сосудам и нервным путям. Большую опасность представляет прохождение тока через обе руки, поэтому электромонтерам рекомен- [c.221]
На исход поражения электрическим током влияет путь его прохождения через тело человека. Пути тока рука — рука, руки — ноги, руки — туловище являются наиболее опасными, так как в этих случаях возможно поражение сердца или легких наименее опасным является путь тока нога — нога. [c.165]
Существенно влияет на исход поражения путь прохождения тока через тело человека. Наиболее опасными являются пути токаз руки — ноги, рука —рука, руки — туловище, так как в втих случаях более вероятно поражение сердца и органов дыхания менее опасен путь тока нога —нога. Опасность поражения переменным током существенно зависит от его частоты, так как с увеличением частоты изменяется величина сопротивления тела человека.
Наиболее опасен ток промышленной частоты 50 Гц. Характер включения человека в замкнутую. электрическую цепь также определяет исход поражения электрическим током, о чем сказано в следующем параграфе. [c.41]
Ток, проходя через тело человека, может вызвать различные электрические травмы электрические ожоги, электрический удар, может происходить электролитическое разложение крови. Переменный и постоянный ток по-разному воздействуют на организм человека. На тяжесть поражения электрическим током оказывают влияние сила и частота тока, продолжительность его воздействия и путь прохождения, а также индивидуальные особенности организма человека. [c.260]
Большое значение имеет продолжительность нахождения пострадавшего под действием тока очень важно быстро освободить пострадавшего от воздействия электрического тока. На исход поражения электрическим током влияет также и путь прохождения его через тело человека. Наиболее опасно прохождение тока через жизненно важные органы — сердце и легкие.
Основными мерами защиты человека от поражения электрическим током является [c.419]
Можно ли считать, что протекание тока силой менее 6 мА через организм человека вполне безопасно Ни в коем случае Пороговые значения неотпускающего тока определяются экспериментально — при этом испытуемый держит электрод в руке. На практике электрическая цепь далеко не всегда возникает по схеме ладонь-ладонь или ладонь — ноги. Вполне вероятны, и в действительности происходят, поражения, при которых ток проходит через тыльную часть руки, предплечье или голень. В то же время на теле человека, в том числе на тыльной части руки, имеются чувствительные к току места. Образование электрических цепей через эти уязвимые места приводит к тяжелым поражениям и смертельным исходам даже при очень малых токах. Важно, что смерть наступает и в тех случаях, когда путь тока не лежит через жизненно важные органы — сердце, легкие, мозг. Зарегистрированы поражения со смертельным исходом при напряжении 220 В и ниже, когда с токоведущими частями соприкасалась только одна рука и путь тока проходил от тыльной стороны руки к ладони или даже с одной стороны пальца на другую [21].
[c.56]
На исход поражения электрическим током оказывают влияние сила и частота тока, протекающего через тело человека, продолжительность его воздействия и путь прохождения, а также индивидуальные свойства организма человека. [c.34]
Электрический ток, проходя через тело человека, может вызвать тяжелые травмы, а иногда и смерть. Степень поражения электрическим током определяется его силой, характером пути прохождения тока через тело человека, длительностью его прохождения, его частотой и индивидуальными свойствами человека. Наиболее опасен ток промышленной частоты. Токи высокой частоты не вызывают электрического шока, но при длительном прохождении могут привести к чрезмерному нагреванию илн ожогу отдельных частей тела. При силе тока промышленной частоты 0,05 А, проходящего через человека, возможен смертельный исход, а при силе тока 0,1 Л и более неизбежен смертельный исход. Наиболее опасные поражения возникают при прохождении тока через сердце и мозг.
[c.461]
При электрическом ударе, когда ток проходит через тело человека, в большинстве случаев вначале нарушается дыхание, а сердце продолжает еще работать с нарушением ритма, после чего может последовать остановка деятельности сердца. Степень опасности поражения электрическим ударом определяется силой тока, прошедшего через организм человека, напряжением, продолжительностью нахождения человека под током, путями прохождения тока и другими обстоятельствами. [c.273]
Характер и исход поражения человека электрическим током зависят от ряда факторов величины тока и напряжения, сопротивления тела человека, вида тока и частоты переменного тока, характера подключения человека в электрическую цепь, пути тока через организм, [c.39]
На исход поражения электрическим током влияет также и путь прохождения его через тело человека. Наиболее опасно прохождение тока через жизненно важные органы — сердце и легкие. [c.
274]
Степень опасного и вредного воздействия на человека электрического тока, электрической дуги и электромагнитных полей зависит от рода и значения напряжения и силы тока частоты электрического тока пути тока через тело человека продолжительности воздействия электрического тока или электромагнитного поля на организм человека условий внешней среды. [c.19]
Факторов, влияющих на исход поражения электрическим током, несколько. Согласно ГОСТ, такими факторами являются род и величина напряжения и тока частота
Как электричество влияет на ваше тело
Поражение электрическим током происходит, когда ваше тело становится частью замкнутой цепи, и электрический ток течет в одну часть вашего тела и выходит из другой, например, в ваши руки и ноги.
Постоянный ток (DC) обычно менее опасен, чем переменный ток (AC).
Воздействие переменного тока на организм во многом зависит от частоты. Токи низкой частоты от 50 до 60 Гц обычно более опасны, чем токи высокой частоты.
Насколько сильно вы получили травму от поражения электрическим током, зависит от того, как ток проходит через ваше тело. Ток, идущий от руки к ноге, скорее всего, пройдет через сердце, что делает его более опасным, чем ток, идущий между ногой и землей.
Воздействие электрического тока на тело человека
- Ток, протекающий через сердце вызывает фибрилляцию сердца.
- Ток, протекающий через мышц , вызывает сокращение мышц.
- Ток, протекающий через мозг , вызывает потерю сознания и судороги.
Во многих случаях поражение электрическим током приводит к смерти. Порог восприятия тока, поступающего в руку, составляет около 5-10 мА для постоянного тока и около 1-5 мА для переменного тока при 60 Гц.
Ток отпускания — это максимальное количество тока, которое может вызвать сокращение мышц руки, сохраняя при этом способность освободить руку от источника тока.
Ток отпускания варьируется в зависимости от мышечной массы. Для постоянного тока отпускной ток составляет около 75 мА для тела весом 70 кг; для переменного тока это около 15 мА.
Фибрилляция желудочков возникает при токах от 60 до 100 мА в системах переменного тока. Для постоянного тока от 300 до 500 мА.
Насколько сильно вы получили травму от поражения электрическим током, зависит от того, как ток проходит через ваше тело.
Как рассчитать ток, протекающий через тело
Человеческое тело является хорошим проводником электрического тока просто потому, что оно на 70% состоит из воды.Ткани человека очень чувствительны к прохождению электрического тока и более восприимчивы к поражению электрическим током в мокром состоянии.
Сколько тока проходит через тело человека, можно оценить с помощью закона Ома (I = E / R). Среднее сопротивление сухого человеческого тела может достигать 100000 Ом, конечно, оно варьируется от человека к человеку в зависимости от структуры их тела.
Во влажном состоянии сопротивление может упасть до 500 Ом в зависимости от уровня напряжения.
Электрические ожоги
Нагревание из-за сопротивления тела является причиной электрических ожогов.Если сопротивление кожи низкое, ожогов мало, если они вообще возникнут. Если сопротивление кожи высокое, энергия может рассеиваться на поверхности, что приводит к обширным поверхностным ожогам.
Внутренние ткани обжигаются в зависимости от их сопротивления; нервы, кровеносные сосуды и мышцы проводят электричество лучше, чем более плотные ткани, такие как жир, сухожилия и кости. Температура вспышки дуги может достигать или превышать 19 400 C (35 000 F) в источнике дуги, что может привести к сильному ожогу кожи.
Неврологические эффекты
Электрический ток может воздействовать на центральную нервную систему, особенно на сердце и легкие.Сильные или повторяющиеся удары, не связанные с кожей, могут повредить нервы, что может ухудшить чувствительность, движение и функцию железы или органа.
Профилактика
Обучение уважению к электричеству и безопасным методам работы имеет решающее значение для предотвращения травм от поражения электрическим током. Любое электрическое устройство, к которому может прикоснуться тело, может быть опасным для жизни и должно быть надлежащим образом заземлено и защищено.
Список литературы
Комментарии
Всего комментариев 2
Альфа, Бета, Гамма | HowStuffWorks
Когда излучение достаточно высокой энергии поражает другой атом, оно отрывает электрон.Получающийся в результате положительно заряженный атом называется ионом , что объясняет, почему высокоэнергетическое излучение называется ионизирующим излучением. Высвобождение электрона производит 33 электрон-вольт и (эВ) энергии, которая нагревает окружающие ткани и разрушает определенные химические связи. Излучение чрезвычайно высокой энергии может даже разрушить ядра атомов, высвободив еще больше энергии и нанеся больший ущерб.
Лучевая болезнь — это совокупный эффект всех этих повреждений на человеческое тело, подвергшееся бомбардировке радиацией.
Ионизирующее излучение бывает трех видов: альфа-частицы, бета-частицы и гамма-лучи. Альфа-частицы наименее опасны с точки зрения внешнего воздействия. Каждая частица содержит пару нейтронов и пару протонов. Они не проникают очень глубоко в кожу, если вообще проникают — на самом деле, одежда может задерживать альфа-частицы. К сожалению, альфа-частицы можно вдыхать или проглатывать, обычно в виде газообразного радона. При попадании внутрь альфа-частицы могут быть очень опасными.Однако даже в этом случае они обычно не вызывают лучевую болезнь — вместо этого они приводят к раку легких [источник: EPA].
Бета-частицы — это электроны, которые движутся очень быстро, то есть с большой энергией. Бета-частицы перемещаются на несколько футов при испускании из радиоактивного источника, но они блокируются большинством твердых объектов.
Бета-частица примерно в 8000 раз меньше альфа-частицы, и это делает их более опасными. Их небольшой размер позволяет им проникать через одежду и кожу.Внешнее облучение может вызвать ожоги и повреждение тканей, а также другие симптомы лучевой болезни. Если радиоактивный материал попадает в продукты питания или воду или рассеивается в воздухе, люди могут неосознанно вдохнуть или проглотить излучатели бета-частиц. Внутреннее воздействие бета-частиц вызывает гораздо более серьезные симптомы, чем внешнее воздействие.
Гамма-лучи — наиболее опасная форма ионизирующего излучения. Эти фотоны чрезвычайно высокой энергии могут путешествовать через большинство форм материи, потому что они не имеют массы.Чтобы эффективно блокировать гамма-лучи, требуется несколько дюймов свинца или несколько футов бетона. Если вы подвергаетесь воздействию гамма-лучей, они проходят через все ваше тело, затрагивая все ваши ткани от кожи до костного мозга. Это вызывает обширный системный ущерб.
Сколько радиации нужно, чтобы вызвать лучевую болезнь, и какое влияние это повреждение оказывает на человеческий организм? Это дальше. Для получения более подробной информации о различных типах излучения и их происхождении ознакомьтесь с разделом «Как работает радиация».
Что такое вирус и как он становится опасным для жизни человека?
Чтобы понять вирусы, можно рассмотреть французского императора Наполеона Бонапарта. В начале 19 века Бонапарт вторгся в большую часть Европы, чтобы установить французское господство на континенте. Он также известен своим невысоким ростом (какой бы несправедливой ни была его репутация).
Как и наша идея о Наполеоне, вирусы очень малы — в 100 раз меньше, чем средняя бактерия, настолько малы, что их невозможно увидеть в обычный микроскоп.Вирусы могут оказывать влияние, только вторгаясь в клетку, потому что они не клеточные структуры. Им не хватает способности к репликации самостоятельно, поэтому вирусы — это просто крошечные пакеты генов ДНК или РНК, заключенные в белковое покрытие, в поисках клетки, над которой они могут доминировать.
Вирусы могут заразить все живое — от растений и животных до мельчайших бактерий. По этой причине они всегда могут быть опасными для жизни человека. Тем не менее, они не становятся по-настоящему коварными, пока не заразят клетку в теле.Эта инфекция может происходить несколькими путями: воздушным путем (благодаря кашлю и чиханию), через насекомых-переносчиков, таких как комары, или путем передачи жидкостей организма, таких как слюна, кровь или сперма.
Как только вирус заражает клетку, он пытается полностью захватить хозяина, подобно тому как Наполеон распространял французское влияние на каждую страну, с которой он боролся. Вирус, поселившийся в клетке, реплицируется и воспроизводится в максимально возможной степени; с каждой новой репликацией клетка-хозяин производит больше вирусного материала, чем нормального генетического материала.Если его не остановить, вирус вызовет смерть клетки-хозяина. Вирусы также распространятся на близлежащие клетки и снова начнут процесс.
У человеческого тела есть естественная защита от вирусов. Клетка может инициировать РНК-интерференцию при обнаружении вирусной инфекции, что работает за счет уменьшения влияния генетического материала вируса по отношению к обычному материалу клетки. Иммунная система также включается, когда она идентифицирует вирус, производя антитела, которые связываются с вирусом и делают его неспособным к репликации.Иммунная система также высвобождает Т-клетки, которые убивают вирус. Антибиотики не действуют на вирусы, хотя вакцинация обеспечит иммунитет.
К несчастью для людей, некоторые вирусные инфекции опережают иммунную систему. Вирусы могут развиваться намного быстрее, чем иммунная система, что дает им преимущество в непрерывном размножении. А некоторые вирусы, такие как ВИЧ, действуют, по сути, обманывая иммунную систему. Вирусы вызывают множество заболеваний, включая простуду, корь, ветряную оспу, ВПЧ, герпес, бешенство, ОРВИ и грипп.Хоть они и маленькие, но наносят большой урон — и лишь иногда их можно отправить в изгнание.
Модель распространения сигнала
, характеристики связи и экспериментальные проблемы
Связь с человеческим телом (HBC), в которой ткань человеческого тела используется в качестве среды передачи для передачи информации о здоровье, служит многообещающим решением физического уровня для сети тела (BAN) . Ориентированность на человека HBC предлагает инновационный метод передачи медицинских данных, передача которых требует низкого уровня помех и надежного канала передачи данных.Следовательно, требуется развертывание системы HBC для получения хороших коммуникационных характеристик. В связи с этим проводится учебный обзор по важным вопросам, связанным с передачей данных HBC, таким как модель распространения сигнала, характеристики канала, характеристики связи и экспериментальные соображения. В данной работе в первую очередь рассматривается развитие HBC и его первые попытки. Затем вводится обзор моделей распространения сигнала. На основе этих моделей обобщены характеристики каналов; также исследуются характеристики связи и выбор параметров передачи.
Кроме того, обсуждаются экспериментальные вопросы, такие как электроды и стратегии заземления. Наконец, представлены рекомендуемые будущие исследования.
1. Введение
Распространенность хронических заболеваний (например, сердечных заболеваний, диабетиков и инсультов) и ускорение старения населения стали проблемой общественного здравоохранения и проблемами системы здравоохранения. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), миллионы людей страдают хроническими заболеваниями и умирают, например, в 2012 году сердечно-сосудистые заболевания привели к 17.5 миллионов смертей и диабет стали причиной 1,5 миллиона смертей [1]. Более того, абсолютное число людей в возрасте 60 лет и старше увеличится с 900 миллионов до 2 миллиардов с 2015 по 2050 год [2], а старение населения способствует распространению хронических заболеваний, поскольку пожилые люди более склонны к хроническим заболеваниям [2]. 3]. Для эффективного контроля хронических заболеваний и улучшения качества жизни пациентов необходим постоянный мониторинг здоровья [4].
Для людей из группы высокого риска постоянный мониторинг физиологических данных помогает своевременно обнаруживать и предотвращать заболевания [5].Например, у пациентов с болезнью Паркинсона необходимо постоянно контролировать деятельность мозга и мышц, а у пациентов с диабетом — контролировать уровень глюкозы в крови. Перспективным решением для обеспечения непрерывного мониторинга физиологических данных является развертывание сети области тела (BAN) [6, 7], в которой сенсоры и исполнительные механизмы крошечного размера используются для мониторинга физиологических данных и обеспечения терапевтических функций (т.е. дозировка инсулина, контроль частоты кардиостимулятора и т. д. .) [6, 8, 9].
Структура BAN показана на рисунке 1. Узлы датчиков, включая как внутренние, так и внутренние узлы (имплантируемые устройства), обычно выполняют функцию мониторинга (пульсоксиметр измеряет SpO2; датчик артериального давления измеряет артериальное давление). Физиологические данные из этих узлов в течение определенного периода времени доставляются конфиденциально и надежно в релейный узел или агрегатор, установленный на теле, например смарт-часы или смарт-браслет [10, 11], которые являются новыми устройствами в биомедицинской промышленности.
благодаря удобству управления и постоянному износу.Затем данные пересылаются в концентратор и центральную точку управления, откуда данные доступны больнице, профессиональному персоналу и центру неотложной помощи или для личного использования.
Ориентация на человека является основной характеристикой BAN, связь между датчиками, разбросанными на / в теле человека и агрегатором, должна осуществляться с помощью проводного соединения или методов беспроводной связи на короткие расстояния. Очевидно, что проводное соединение — не лучший выбор, поскольку провод может оборваться и неудобен для передвижения пациентов.Предпочтительными кандидатами являются беспроводные технологии ближнего радиуса действия (RF), такие как Zigbee, Bluetooth и сверхширокополосный (UWB). Однако эти подходы имеют существенные недостатки, поскольку они не предназначены для передачи данных мониторинга состояния здоровья человека. Например, радиочастотные методы подвержены электромагнитным помехам и страдают от большой утечки сигнала и легкости подслушивания.
Кроме того, человеческое тело в основном (на 65%) состоит из воды, которая является материалом, блокирующим радиочастотные сигналы [12].Таким образом, беспроводные радиосигналы, передаваемые вокруг или в теле человека, будут испытывать эффект затенения тела, что приведет к значительному ослаблению сигнала [13, 14]. Более того, радиочастотные методы излучают сигнал через антенну, что требует миниатюризации. Другой потенциальный кандидат — метод индуктивной беспроводной связи. Однако его эффективность связи (0,4% при расстоянии 3 см [15]) низка, а размер катушки (типичные размеры 25 мм × 10 мм для прямоугольной катушки, диаметр 20 мм для круглой катушки) [16] велик.Катушка также является проблемой для миниатюризации. Очевидно, что для медицинского BAN требуются новые методы связи, ориентированные на передачу данных мониторинга здравоохранения, ориентированную на человека.
Связь с человеческим телом (HBC, также называемая внутрителевой связью) — это новый метод передачи, использующий человеческое тело в качестве среды передачи электрических сигналов [17].
HBC стал одним из трех физических уровней (еще два — узкополосный и UWB) для BAN, предложенных IEEE 802.15.6 рабочая группа 6 [18]. HBC может быть реализован двумя способами: методом емкостной связи и методом гальванической связи. Он имеет следующие желательные характеристики.
(a) Малая утечка сигнала — высокая степень защиты . Сигнал ограничен поверхностью тела и с небольшой энергией излучается в окружающую среду (избегайте использования тела как антенны для излучения энергии) [19, 20]. Таким образом, гарантируется безопасность информации во избежание подслушивания, а также может быть минимизировано вмешательство между разными людьми.
(b) Низкое затухание сигнала — низкая мощность передачи . По сравнению с воздушным каналом, канал человеческого тела имеет высокое усиление [21], что может снизить мощность передачи. Таким образом, это может потенциально снизить энергопотребление системы и помочь в миниатюризации.
(c) Низкая несущая частота .
HBC работает на низкой частоте (особенно для HBC с гальванической связью), что потенциально может упростить конструкцию, минимизировать энергопотребление (в системе HBC обнаруженная цепь, фильтр и усилитель мощности имеют компонент схемы CMOS, в которой динамическая мощность пропорциональна несущей частоте.Также потребляемая мощность ЦП и синтезатора частот пропорциональна рабочей частоте) [22, 23], и уменьшает размер устройств за счет низких требований к усилителям, конденсаторам и катушкам индуктивности. Между тем, для более низкой несущей частоты требуется приемник с низкой промежуточной частотой, который потенциально может обеспечить приемники без кристалла из-за его лучшей устойчивости к девиации частоты [24]. Бескристаллический приемопередатчик может дополнительно уменьшить размер и потребляемую мощность, поскольку кварцевый генератор громоздкий, энергоемкий и хрупкий.Кроме того, HBC не требует антенны, что может минимизировать размер чипа.
Сравнение HBC и других беспроводных технологий показано в таблице 1.
Чтобы служить подходящим способом связи для BAN, HBC пытается стать перспективным кандидатом из-за низкого уровня помех и высокой безопасности (перехват сигнала требует касания тела) , подходящий диапазон передачи и потенциально более высокая степень миниатюризации.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Inf: натяг; ICL: звено индуктивной связи; Cap-HBC: емкостная связь HBC; Gal-HBC: гальваническая муфта HBC. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
01 ~ 0,1 При использовании HBC для передачи данных между носимыми или имплантируемыми медицинскими устройствами мониторинга передача с низким энергопотреблением важна не только для предотвращения утечки информации или помех другим BAN, но и для экономии энергии (уменьшение мощности передачи может снизить энергопотребление усилителя мощности, на который приходится значительная часть энергопотребления системы HBC).Это особенно верно для имплантируемых устройств, так как утечка важной информации (например, скорости стимуляции и настройки порога стимуляции кардиостимулятора) в непредусмотренный приемник приведет к опасным для жизни событиям.
Кроме того, важна низкая мощность передачи, поскольку она также может продлить срок службы батареи [25], что требует дорогостоящей и инвазивной хирургической операции для замены.
Для достижения низкой мощности передачи необходимо минимизировать мощность передачи и оптимизировать характеристики связи.Конечно, при этом должна сохраняться надежная передача данных. Затем следует соответствующим образом выбрать параметры передачи, коррелированные с мощностью передачи, такие как скорость передачи данных, метод модуляции, полоса пропускания и полоса частот. Это побуждает нас суммировать характеристики канала и выяснить правило производительности связи (т.е. коэффициент битовых ошибок BER) для различных схем модуляции. Конечно, экспериментальные вопросы по получению характеристики канала также имеют значение.Следовательно, проведение опроса по вышеуказанным вопросам важно для развертывания HBC. Далее рассматривается история и развитие HBC. Затем модель распространения сигнала резюмируется в разделе 3; основанные на моделях характеристики каналов и коммуникационные характеристики представлены в Разделе 4.
Экспериментальные вопросы обсуждаются в Разделе 5. Наконец, выводы и будущие исследования рассматриваются в Разделе 6.
2. Развитие коммуникации человеческого тела
2.1. История электрических свойств и тканей человека
В истории человечества интерес к тканям тела был неизбежен. Многие исследователи посвятили свои усилия и мысли исследованию мышц, их электрических свойств и биомеханики. Как правило, существует две формы биоэлектрической оценки мышцы: одна заключается в исследовании электрического сигнала, исходящего от мышцы, а другая — в свойствах мышцы путем подачи электрических сигналов.
Взаимосвязь между электричеством и сокращением мышц впервые наблюдал итальянский врач Луиджи Гальваник в середине 1780-х годов.Луиджи Гальваник провел эксперимент по соединению нервов недавно мертвого тумана с длинным металлическим проводом и направил его в небо во время грозы, лапы лягушки подергивались и подпрыгивали, как будто они были живыми, от вспышки света, на что Гальваник указал, что недавно мертвая мышечная ткань может реагировать на внешние электрические раздражители.
С тех пор все больше и больше исследователей изучали реакцию тканей человека на электрический ток, сопротивление ткани и диэлектрические свойства. Например, нерв, мышцы и железы можно стимулировать для анестезии [26] миллиамперными электрическими токами.Первые обширные обзоры литературы по диэлектрическим свойствам были предоставлены Геддесом и Бейкером [27], которые суммировали ранние сообщения об удельном сопротивлении тканей. Позже об интенсивных исследованиях диэлектрических свойств тканей сообщили Gabriel et al. [28]. А дальнейшие эксперименты были проведены Габриэлем и соавт. исследовать диэлектрические свойства тканей человека и животных в диапазоне частот от 10 Гц до 20 ГГц [29]. На основе этих измерений была разработана параметрическая модель с четырьмя дисперсиями типа Коула-Коула для описания диэлектрических свойств ткани как функции частоты [30].Эти электрические свойства использовались исследователями для облегчения недавних исследований и применений. Например, электроимпедансная томография (EIT) была разработана для визуализации внутренних органов и структуры тела для медицинской диагностики; Электростимуляция была принята для лечения и протезирования.
До 1995 года для передачи данных предлагалось использовать человеческое тело в качестве среды передачи. Этот тип телеметрии, называемый емкостной связью HBC [17], был разработан для передачи данных на человеческое тело или вокруг него.
Первые исследования HBC сосредоточились на возможности внедрения HBC. После этого появились модели распространения сигнала для исследования механизма распространения сигнала и характеристик канала. Позже были разработаны эксперименты и прототипы для исследования их коммуникационных характеристик. Как правило, HBC может быть реализован двумя способами: методом емкостной связи и методом гальванической связи. Ниже будут представлены подробности.
2.2. Способы сочетания HBC и их первые попытки
2.2.1. Емкостная связь HBC
В 1995 году Циммерман [17] провел исследование по измерению положения виолончельного смычка Йо-Йо Ма. Было обнаружено, что нахождение руки в электрическом поле значительно ослабляет принимаемый сигнал. Основываясь на этих фактах и принципах, он предложил концепцию персональной сети (PAN), беспроводной системы, которая позволяет электронным устройствам на теле человека и рядом с ним обмениваться цифровой информацией через HBC, для которой не требуется сложная антенна для излучения сигнала.
в воздух; вместо этого электроды используются для передачи электрического сигнала на человеческое тело, которое затем используется в качестве среды для передачи сигнала.Циммерман также разработал прототип в качестве первой попытки реализовать технологию HBC. Этот прототип подтверждает возможность использования HBC для передачи данных.
Емкостная связь HBC, также называемая связью в ближнем поле [31], и электростатическая связь [17, 32] описаны на рисунке 2. Сигнальные электроды в передатчике и приемнике прикреплены к коже человека, а заземляющие электроды парят в воздухе. Сильное электрическое поле Et вводится в тело человека через сигнальный электрод передатчика [31].Проводимость человеческого тела не только связывает электрическое поле с окружающей средой (например, Ee ), но также служит проводящей пластиной, которая индуцирует электрические поля (например, Ea , Ec и Ed ) с другими проводящими пластинами. (заземляющие электроды) [33, 34].
Обратный путь передаваемого сигнала формируется электрическими полями Ea , Ec , Ee-Eb , Er-Ef-Eb и Ed-Ef-Eb . Другими словами, электрические поля в окружающей среде или через внешнее заземление служат обратным путем [35].В приемнике принятый сигнал как разность электрических потенциалов между Er , Ef и Ed может быть обнаружен, поскольку Er намного больше, чем Ef и Ed (проводимость человеческого тела равна намного выше, чем у воздуха) [34]. С другой стороны, разность электрических потенциалов мала из-за ускользнувших электрических полей Ee , Ea и Ec . Кроме того, обнаруженный сигнал нестабилен и сильно зависит от окружающей среды, учитывая, что электрические поля Ef и Ee меняются вместе с изменениями окружающей среды [17] (например.g., появление металлической мебели, проводов, воды и оргтехники изменит обратную емкость [36]).
Во избежание эффекта излучаемого сигнала антенной человеческого тела (длина диполя около 1 м) рабочая частота должна быть ниже 150 МГц [31].
И большая часть электрического поля будет концентрироваться вокруг кончика передатчика на руке [19]. Емкостная связь HBC подходит для тех приложений, где требуются более высокие рабочие частоты (примерно десятки МГц) и большие расстояния передачи сигнала от тела (обычно по всему телу).Тем не менее, емкостная связь HBC уязвима для внешних помех и других непредсказуемых эффектов, таких как движения субъектов [37].
2.2.2. Гальваническая связь HBC
Гальваническая связь HBC впервые была описана в 1997 году японскими исследователями Handa et al. [38]. Сигнал ЭКГ от грудной клетки модулировался в электрический ток в микроамперах, подаваемый в человеческое тело с помощью электродов и обнаруживаемый парой принимающих электродов на запястье. Передающий и приемный электроды находились в прямом контакте с телом, что приводило к передаче сигнала гальванической связи.Эта система работала с малым энергопотреблением, всего 8 мк Вт. Результаты показывают, что передача данных с низкой мощностью передачи возможна при использовании гальванической связи HBC.
В 1998 году Lindsey et al. [39] протестировали гальваническую связь HBC между имплантируемым устройством и внешней системой сбора данных. В системе два платиновых электрода (каждый диаметром 0,38 мм, разделенные на 2,5 мм) использовались для ввода синусоидальных токов с частотой 2–160 кГц и амплитудой 1–3 мА в ногу трупа человека.Электроды ЭМГ на поверхности ноги были развернуты для обнаружения разницы напряжений. В канале человеческого тела ослабление составляло 37–47 дБ. Этот прототип демонстрирует возможность использования гальванической связи HBC для передачи данных между имплантируемым устройством и датчиками, установленными на поверхности тела.
Гальваническая связь HBC, также называемая волноводной HBC [40], использует ионные жидкости в организме и свойства объемной проводимости тканей [39] для передачи электрического сигнала. Упрощенная модель изображена на рисунке 3.Сильный ионный ток генерируется в ткани рядом с передатчиком. По мере удаления от передатчика ток будет уменьшаться из-за импеданса тканей человека. Небольшой ток индуцирует электрический потенциал, который может быть обнаружен на приемнике дифференциальным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Существующие эксперименты или прототипы обычно проводятся на конечностях человека. Поскольку принцип распространения сигнала основан на ионном токе, рабочая частота должна быть низкой (т.е., <1 МГц [41]). А на такой низкой частоте излучение или утечка сигнала в пространство могут быть незначительны [20].
По сравнению с емкостной связью HBC, гальваническая связь HBC работает на более низкой частоте и меньше зависит от окружающей среды, что делает передачу сигнала более стабильной и надежной. Следовательно, гальваническая связь HBC больше подходит для передачи жизненно важных физиологических сигналов, особенно для связи с имплантируемыми устройствами. Конечно, это идет вразрез со скоростью передачи данных.К счастью, требования к скорости передачи данных для передачи жизненно важного физиологического сигнала относительно низкие, например 75 кбит / с для ЭКГ, 1,6 кбит / с для SpO2 и <100 кбит / с для кардиостимулятора и имплантируемых сенсоров глюкозы [42]. Следовательно, гальваническая связь HBC также является многообещающим кандидатом для передачи жизненно важных физиологических данных между носимыми и имплантируемыми устройствами.
3. Электрические свойства тканей человека и модели распространения сигнала HBC
После новаторской работы по успешному внедрению HBC исследовательские группы провели значительные исследования для изучения усиления каналов на разных расстояниях и в разных частях тела, таких как рука, грудная клетка. , нога и спина [43, 44].Наряду с экспериментальными исследованиями, теоретические исследования механизма передачи стали важной темой исследований. Модель распространения сигнала включает численную модель и аналитическую модель. Численный метод позволяет добиться более точных расчетов для реалистичной структуры и геометрической формы человеческого тела, но при этом жертвуются время и стоимость вычислений. Численная модель для HBC включает в себя имитационную модель конечных разностей во временной области (FDTD) (например, [19]) и метод моделирования методом конечных элементов (FEM) (e.г., [20, 35, 41]) модель. С другой стороны, аналитическая модель экономит время вычислений, но ограничивается простыми структурами, такими как круг и цилиндр. Аналитическая модель в основном включает модель упрощенной схемы [31, 41, 44, 45], модель асимметричной распределенной схемы [37, 46] и модель квазистатического поля [47].
3.1. Электрические свойства тканей
Модели распространения сигнала в HBC обычно основаны на электрических свойствах тканей человека. Механизм частотной дисперсии тканей человека был впервые введен Шваном [48].Три основные области дисперсии, обозначенные, и области на соответствующих частотах диапазона низких частот, диапазона RF и диапазона частот гигагерца, являются ответом на поведение ткани. Как показано на рисунке 4, три области дисперсии выглядят следующим образом.
Дисперсия (низкая кГц) . Это малоизвестно и связано с поляризацией атмосферы противоиона вблизи заряженных поверхностей в ткани или поляризацией больших мембраносвязанных структур в ткани.Или это связано с процессом ионной диффузии на участке клеточной мембраны. Это проявляется в диэлектрической проницаемости и малозаметно в проводимости.
Дисперсия (0,1–10 МГц) . Эффекты релаксации вызываются белками, менее протяженными аминокислотными остатками и биоимпедансом (емкость мембраны и сопротивление жидкости) органелл внутри клетки, ядер клеток и митохондрий. Поскольку клеточные мембраны имеют незначительный импеданс, зарядка клеточных мембран через внутриклеточные и внеклеточные становится легче.Ток проходит через внеклеточную и внутриклеточную среду; следовательно, проводимость становится выше.
Дисперсия (выше 1 ГГц) . Область высокой проводимости в основном обусловлена разнообразием тканей (аминокислот, нуклеиновых кислот) и белковыми растворами.
На основе множества опубликованных экспериментальных данных тканей, уравнение Коула-Коула принято для прогнозирования изменения диэлектрических свойств ткани по частоте: где — постоянная времени релаксации механизма поляризации в областях релаксации, а — диэлектрическая проницаемость. на частотах и соответственно.Уравнение (1) включает в себя частотно-независимую часть из-за ионной проводимости и частотно-зависимую часть, связанную с диэлектрической релаксацией. Однако область дисперсии может быть расширена многими механизмами из-за сложности как структуры, так и состава биологического материала. Таким образом, спектр ткани может быть более точно описан множественной дисперсией Коула-Коула: где — статическая ионная проводимость. Комплексная проводимость и импеданс ткани рассчитываются по
. На основании (2) и (3) электрические свойства ткани могут быть смоделированы эквивалентной схемой с обычными резисторами и конденсаторами, как показано на рисунке 5.
3.2. Модели распространения сигнала HBC
3.2.1. Модель цепи
Вегмюллер [41] разработал простую четырехконтактную модель цепи с шестью импедансами тканей тела и четырьмя импедансами электрод-кожа для низкочастотной (<1 МГц) гальванической связи HBC. Упрощенная модель схемы показана на рисунке 6. Эта модель учитывает импеданс конечности человека, такой как импеданс продольного () и поперечного () канала, а также импеданс электрод-кожа (), входное () и выходное сопротивление ( ).Передаточная функция канала может быть описана следующим образом:
Помимо упрощенной модели схемы, Вегмюллер [41] описал полное сопротивление тела эквивалентной параллельной цепью сопротивления и емкости в соответствии с эталонной моделью Коула-Коула. Затем была разработана более сложная многослойная модель ткани (кожа, мышцы и кости). Каждая слоистая ткань состояла из поперечного и продольного импедансов с цепями Коула-Коула, соединенными в сетку. Сообщалось, что меньшая часть тока будет проходить через слой кожи между электродами, тогда как большая часть будет проводиться более глубокой мышечной тканью.
Модель схемы оболочки как для емкостной связи, так и для гальванической связи HBC была разработана Amparo Callejón et al. [37, 46]. В модели эквивалентную схему кожи можно рассматривать как линию передачи с потерями без индуктивного элемента. А для метода емкостной связи параметр модели (постоянная распространения и характеристический импеданс) также зависит от емкостного эффекта от внешнего обратного пути заземления [37]. Сообщалось, что затухание увеличилось до 200 кГц и оставалось примерно постоянным для более высоких частот в HBC с гальванической связью.Для емкостного HBC профиль полосы пропускания наблюдался в пределах 1 ~ 100 МГц. Модель схемы для этих двух методов связи также была рассмотрена в [44], и было обнаружено, что двухэлектродная схема обеспечивает более высокий коэффициент усиления, чем четырехэлектродная схема.
Недавно Kibret et al. [45] разработали модель эквивалентной схемы с предметными антропометрическими измерениями. Было обнаружено, что усиление медленно увеличивается при увеличении частоты с 200 кГц до 10 МГц, а фаза падает с 50 ° до 10 ° при увеличении частоты.
3.2.2. Метод конечных разностей во временной области (FDTD)
Fujii et al. использовали метод FDTD для расчета распределения электрического поля в теле человека [19, 49, 50]. Было обнаружено, что большая часть электрического поля сосредоточена вокруг кончика руки, и твердого фантома, эквивалентного биологической ткани, было достаточно, чтобы имитировать человеческое тело [19]. Аналогичные результаты были получены в [51], что доминирующий сигнал находился на поверхности руки.
3.2.3. Метод конечных элементов (МКЭ) Метод
Xu et al.[35] предложили модель FEM для емкостной связи HBC. Человеческое тело рассматривалось как цепь сосредоточенных резисторов, соединенных параллельно с сосредоточенными конденсаторами. Коэффициент усиления канала соответствовал профилю высоких частот, а емкость обратного тракта зависела от заземления приемопередатчика, а также от внешнего заземления. Недавно Callejon et al. [20] исследовали распределение электрического поля и плотность тока с помощью МКЭ. Обнаружено, что электрическое поле в основном ограничено внешним слоем плеча, и излучением можно пренебречь.Большая часть электрического тока в гальванической связи HBC проходит через мышцы.
3.2.4. Аналитическая электромагнитная модель
Аналитическая электромагнитная модель разработана путем решения уравнений Максвелла и конкретных граничных условий. Теоретическая модель, в которой электрическое поле, как предполагалось, состоит из ближнего поля, индуктивного поля и дальнего поля, была предложена Bae et al. [52] для емкостной связи HBC. Моделирование квазистатического поля гальванической связи HBC было разработано Pun et al.[47, 53]. Коэффициент усиления канала соответствует характеристике верхних частот в суб-МГц, и излучение сигнала в космос незначительно.
Сводка моделей распространения сигнала и их основные результаты представлены в таблице 2. Из таблицы модели распространения сигнала основаны на статическом поведении тела. В то время как для динамического поведения тела модель распространения сигнала еще не разработана.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
