1
2
Abstrakt Hlavním cílem této bakalářské práce je seznámení se se základy elektroinstalací se zaměřením na zdravotnické aplikace, normami a poţadavky, popisu parametrů součástí vyuţitých při realizaci chirurgických sálů, pouţité lékařské techniky a technického řešení. Nakonec přichází vlastní realizace projektu elektroinstalace chirurgického sálu dle platných norem. Čtenář této bakalářské práce získá představu o tvorbě projektu elektrické instalace, její aplikace v prostorech pro zdravotnické účely a prvky, které jsou specifické právě pro tento obor. Ozřejmí si moderní přístrojové vybavení, jeho nutné parametry a schopnosti. Také získá přehled o funkčních principech uvedených zařízení. Klíčová slova: Elektroinstalace ve zdravotnictví, zdravotnická izolovaná soustava, tvorba projektů, nepřerušitelný zdroj elektrické energie, motorgenerátor, vybavení operačních sálů, technické řešení operačních sálů.
Abstract The main objective of this bachelor´s thesis is to get know about essentials of electrical installations with aim for medical applications, standards and requirements. Characterization of component’s parameters used in the course of surgery rooms realization icluded as the same as description of applied medical devices and its engineering solution. Own realisation of project comes at the end. Reader of this bachelor´s project will take an image about planning electrical installations, its usage in health service and will have a concept of medical parts in this branch, modern equipment, its parameters and acquirements. He will know about principles of mentioned machinery. Keywords: Electrical installations in health service, medical isolated supply system, electrical planning, unirruprible power supply, motorgenerator, surgical equipment, technical solution of surgeries.
3
POSPÍŠIL, D. Elektroinstalace chirurgického sálu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2009. 33 s., 14 s. příloh. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jan Hrozek. 4
Prohlášení Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma Elektroinstalace chirurgického sálu jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb.
V Brně dne 5. ledna 2009
............................................ podpis autora
Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Janu Hrozkovi za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé bakalářské práce.
V Brně dne 5. ledna 2009
............................................ podpis autora
5
1
ÚVOD ................................................................................................................................. 8 1.1 CÍL BAKALÁŘSKÉ PRÁCE BBCE ......................................................................................... 8 1.2 KLÍČOVÉ ČÁSTI PRÁCE ....................................................................................................... 8 1.3 VYMEZENÍ ZÁKLADNÍCH POJMŮ ZE ZDRAVOTNICKÝCH ELEKTROINSTALACÍ ...................... 8 1.3.1 Zdravotnická izolovaná soustava ............................................................................... 8 1.3.2 Izolační stav ................................................................................................................ 8 1.3.3 Méně důležité obvody (MDO)..................................................................................... 8 1.3.4 Důležité obvody (DO) ................................................................................................. 8 1.3.5 Velmi důležité obvody (VDO) ..................................................................................... 9 1.3.6 Základní zdroj elektrické energie ............................................................................... 9 1.3.7 Hlavní přívod .............................................................................................................. 9 1.3.8 Záložní přívod ............................................................................................................. 9 1.3.9 Hlídač izolačního ........................................................................................................ 9 1.3.10 Hlavní nouzový zdroj ................................................................................................ 9 1.3.11 Speciální nouzový zdroj ............................................................................................ 9 1.3.12 Místnost pro lékařské účely ...................................................................................... 9 1.3.13 Chirurgický sál (operační sál, OS) ........................................................................... 9
2
ZÁKLADY TVORBY PROJEKTU ELEKTRICKÉ INSTALACE .......................... 10 2.1 OBSAH, SLOŢKY PROJEKTU – OBECNÉ INFORMACE ........................................................... 10 2.1.1 Obsah, doporučené složky technické zprávy ............................................................ 10 2.1.2 Doporučené složení výkresové části projektové dokumentace ................................. 11 2.2 PROJEKTANT, AUTORIZOVANÁ OSOBA .............................................................................. 11
3
ZÁKLADNÍ PRVKY ELEKTRICKÉ INSTALACE .................................................. 12 3.1 PROUDOVÝ CHRÁNIČ ................................................................................................... 12 3.1.1 Princip funkce proudového chrániče ........................................................................ 12 3.1.2 Vlastnosti proudového chrániče ............................................................................... 12 3.1.3 Konstrukční části proudového chrániče ................................................................... 13 3.1.4 Typy proudových chráničů ...................................................................................... 13 3.2 JISTIČ ............................................................................................................................... 14
4
ZÁKLADNÍ PRVKY ELEKTROINSTALACÍ VE ZDRAVOTNICTVÍ ................. 16 4.1 ZDROJ NEPŘETRŢITÉHO NAPÁJENÍ .................................................................................... 16 4.1.1 Princip UPS .............................................................................................................. 16 4.1.2 Parametry UPS ......................................................................................................... 17 4.2 MOTORGENERÁTOR ..................................................................................................... 18 4.2.1 Princip ...................................................................................................................... 18 4.2.2 Spojení MTG s UPS ................................................................................................. 18
5
PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ OPERAČNÍCH SÁLŮ ................................................ 19 5.1 OPERAČNÍ STŮL ................................................................................................................ 19 5.2 OPERAČNÍ LAMPA ............................................................................................................ 19 5.3 ENDOSKOPY, OPERAČNÍ MIKROSKOP ................................................................................ 20 5.4 MONITOROVACÍ SYSTÉM A ANESTEZIOLOGICKÝ PŘÍSTROJ ............................................... 21 5.5 ELEKTROSKALPEL, KOAGULACE ...................................................................................... 22 5.6 DEFIBRILÁTOR ................................................................................................................. 23 5.7 ELEKTRICKY NAPÁJENÁ ODSÁVAČKA............................................................................... 23 5.8 OHŘÍVAČ ROZTOKŮ .......................................................................................................... 24 5.9 RTG SYSTÉM S TV ŘETĚZCEM ......................................................................................... 24 6
VHODNÉ TECHNICKÉ A TECHNOLOGICKÉ VYBAVENÍ OS .......................... 25
6
6.1 ZPŮSOBY PŘENOSU INFORMACÍ ........................................................................................ 25 6.2 TECHNICKÉ ŘEŠENÍ OPERAČNÍCH SÁLŮ ............................................................................ 25 6.3 POUŢITÉ PRVKY OBECNÉ ELEKTROINSTALACE V KOMPLEXU SÁLŮ ................................... 26 6.4 POUŢITÉ SPECIFICKÉ PRVKY A ZDRAVOTNICKÉ VYBAVENÍ ............................................... 26 NÁVRH EL. INSTALACE KOMPLEXU OPERAČNÍCH SÁLŮ ............................ 27
7
7.1 KONKRETIZACE ZÁMĚRU.................................................................................................. 27 7.2. VLASTNÍ TECHNICKÉ ŘEŠENÍ - TECHNICKÁ ZPRÁVA ........................................................ 27 7.2.1 Připojení k síti, základní silové prvky ....................................................................... 27 7.2.2 Instalace v jednotlivých místnostech ........................................................................ 27 7.2.3 Předpokládané odběry instalovaných přístrojů v OS, přiřazení k okruhům ............ 28 8
ZHODNOCENÍ PRÁCE ................................................................................................. 29
9
SEZNAM STUDIJNÍ A SHROMÁŽDĚNÉ LITERATURY ...................................... 30
10
SEZNAM ZKRATEK .................................................................................................. 31
11
SEZNAM PŘÍLOH ...................................................................................................... 33
7
1 Úvod 1.1 Cíl bakalářské práce BBCE Cílem této práce je zpracování tématu „Elektroinstalace chirurgického sálu“, navázání na první a druhou část (BB1E, BB2E). Úkolem je zpracovat projekt (výkres) s vyuţitím CAD technologií
1.2 Klíčové části práce V souladu se zadáním vedoucího bakalářské práce se budou v práci rozebírat: Základy tvorby projektů elektrické instalace, proudové chrániče, jističe a záloţní zdroje. V prvé řadě je však nutno vymezit pojmy, které jsou důleţité při jakékoli práci na instalacích v místnostech pro lékařské účely. Dále je uvedeno konkrétní přístrojové vybavení, ostatní technické záleţitosti operačních sálů a další určené poţadavky. Završení – BBCE uvádí vlastní návrh a konkrétní projektovou dokumentaci tohoto návrhu.
1.3 Vymezení základních pojmů ze zdravotnických elektroinstalací 1.3.1 Zdravotnická izolovaná soustava - (ZIS) – jeden ze základních prvků elektrické instalace v místnostech pro lékařské účely. Provede se pomocí oddělovacího transformátoru (o maximálním výstupním napětí 250V), který musí mít stínění mezi primárním a sekundárním vinutím a být chráněn proti přetíţení a zkratu. Slouţí k napájení elektrických zdravotnických přístrojů, jejichţ vyřazení z provozu by během pouţívání mohlo ohrozit zdraví nebo ţivot pacientů. Soustava zvyšuje spolehlivost napájení tím, ţe dovoluje provoz elektrických zdravotnických přístrojů i v případě spojení jednoho krajního vodiče s neţivou částí, protoţe při této závadě nevznikne zkrat (pouze se ze ZIS stane TN – coţ je klasická soustava tří fázových, jednoho ochranného a jednoho zemnícího vodiče pouţívaná v domácnostech, průmyslu), a tudíţ ani zvýšení dotykového napětí, které by jinak vzniklo průchodem proudu ochranným vodičem. Další porucha by však uţ znamenala vybavení proudového chrániče. Ţivé části zdravotnické IT musí být prostorově odděleny od ţivých částí jiných obvodů. 1.3.2 Izolační stav – velmi důleţitý ukazatel kvality odizolování, určuje míru funkce ZIS. Jedná se o impedanci mezi pracovním a ochranným vodičem. Sníţení izolačního stavu musí být opticky i akusticky signalizováno, protoţe informuje o vznikající poruše, například navlhání izolace, která by postupem času vedla aţ k vybavení proudového chrániče a tím k výpadku napájení. 1.3.3 Méně důležité obvody (MDO) – část elektrických rozvodů v místnostech pro lékařské účely, které slouţí k napájení přístroje, které nemusí mít při výpadku zajištěnu ochranu napájením záloţními zdroji. 1.3.4 Důležité obvody (DO) – skupina obvodů, která při výpadku napájení dostává energii z hlavního záloţního zdroje, prodleva mezi výpadkem proudu a začátkem suplementace nesmí překročit 120 sekund a tato musí trvat po celou dobu výpadku základního zdroje. Projektantům se však doporučuje navrhnout elektroinstalaci tak, aby bylo moţno z DO napájet v případě potřeby i MDO, pokud to dovoluje výkonová rezerva
8
hlavního nouzového zdroje. Do okruhů DO se připojují zdravotnické přístroje pro zajištění ţivota pacientů, zajištění bezpečnosti provozu a zamezení nenahraditelných ztrát. 1.3.5 Velmi důležité obvody (VDO) – Určená část důleţitých obvodů, která musí mít zajištěno napájení ze speciálních nouzových zdrojů. VDO jsou určené pro spotřebiče, pro které je nutné, aby případný výpadek proudu základního zdroje nebo hlavního nouzového zdroje nepřekročil dobu 0,5 sekundy. Pouţívají se například pro napájení operačního svítidla. 1.3.6 Základní zdroj elektrické energie – zdroj, který napájí celou ZIS a veškeré jiné obvody za normálních provozních podmínek, tzn. bez poruchy. Jedná se klasickou rozvodnou síť nízkého napětí, pouţívanou například v domácnostech. 1.3.7 Hlavní přívod – přívod, který za normálního, bezporuchového stavu slouţí k napájení rozváděčů místností pro zdravotnické účely, jsou na něj napojeny všechny důleţité i méně důleţité obvody. 1.3.8 Záložní přívod – přívod, který plní funkci v případě závady či výpadku proudu na hlavním přívodu. Je to prakticky duplikát hlavního přívodu. 1.3.9 Hlídač izolačního stavu – prvek slouţící k signalizaci hodnoty izolačního stavu (hladiny izolačního stavu). Pracuje na principu měření činného odporu mezi krajními vodiči a ochranným vodičem zdravotnické izolované soustavy. 1.3.10 Hlavní nouzový zdroj – jedná se o zdroj, který pracuje nezávisle na vnějších vlivech, při výpadku základního zdroje elektrické energie (hlavního i záloţního přívodu) musí do 120 sekund začít zásobovat elektrickou energií důleţité obvody. K tomuto účelu se pouţívá spalovací motor s generátorem – nejčastěji dieselagregát. 1.3.11 Speciální nouzový zdroj – opět nezávislý zdroj elektrické energie, avšak pro jeho práci existuje podmínka, dle které speciální nouzový zdroj musí po výpadku základního zdroje začít zásobovat velmi důleţité obvody do 0,5 sekundy. Pouţívá se tam, kde je doba obnovení hlavního nouzového zdroje příliš dlouhá. Zdrojem bývá zpravidla nabíjecí prvek, akumulátor, měnič. Pro případ potřeby stejnosměrného napětí pouze akumulátor s nabíječkou. 1.3.12 Místnost pro lékařské účely – prostory určené pro vyšetřování či ošetřování lidí nebo zvířat. Dále prostory, které jsou nedílně funkčně svázané s těmito místnostmi – např. umývárna u chirurgického sálu, která je se sálem prostorově spojená. 1.3.13 Chirurgický sál (operační sál, OS) – místnost, kde se provádí chirurgické operace, za pouţití analgezie či anestézie, dále se při zákroku mohou pouţívat přístroje pro monitorování ţivotních funkcí. CAD – Computer Aided Design – počítačově podporované konstruování. UPS – Unirruptible Power Supply – zdroj nepřetrţitého napájení. [1] Studijní materiál: ŠTĚPÁN, F. Proudové chrániče. Praha: IN-EL, 2001. 183 s. ISBN 8086230-20-1. 9
2 Základy tvorby projektu elektrické instalace 2.1 Obsah, složky projektu – obecné informace Odpověď na tuto otázku není tak jasná, jak by se mohlo zpočátku zdát. Je to tím, ţe neexistuje ţádný univerzální předpis o tom, jaká má být skladba projektové dokumentace. Poměrně nejjasněji je ve stavební oblasti, kde je předepsáno (Stavební zákon) co má projekt minimálně obsahovat k příslušnému stupni stavby. Co se týče technologie, coţ nás zajímá především, tam to jiţ tak jasné není a kromě obecně závazných právních předpisů záleţí na dohodě mezi objednatelem a dodavatelem. Elektrická instalace je zahrnuta v Projektu elektročásti – Technická zpráva, proto se budu zajímat pouze o tuto listinu. Prostudoval jsem několik hotových, schválených a zrealizovaných projektů a došel k závěrům, co bych jako projektant do projektu uvedl. Samozřejmě, s důrazem na prvky, které jsou nutné a typické pro instalace v místnostech pro lékařské účely, především pak konkrétně, pro operační sál. 2.1.1 Obsah, doporučené složky technické zprávy Jak jsem jiţ uvedl, neexistují přesná pravidla pro vytváření projektové dokumentace, ale zcela jistě je nutné, aby byly dodrţeny určité zásady, určitá pravidla. Obecně se dá říci, ţe kaţdý projektant do své práce uvádí především to, co je význačné pro daný typ stavby (typ stavby s sebou nese rozdílné nároky na elektrickou instalaci, zdravotnické prostory bych označil za náročné na technickou dokonalost). Nyní uvedu části technické zprávy, které by měly být zastoupeny. [3] 1. Obsah – klasický obsah díla, nutný pro dostatečnou orientaci v dokumentaci. 2. Rozsah projektu – zde se uvádí předmět díla, co a kde se bude provádět. 3. Základní technické údaje – rozvodná soustava, místo napojení, měření odběru, ochrana před nebezpečným dotykem neţivých částí, instalovaný příkon, soudobý příkon, soudobost, rezervovaný příkon, výpočtový proud, stanovení typu prostor z hlediska nebezpečí úrazu elektrickým proudem. 4. Použité podklady – například projektová dokumentace stavby (prostor), elektrotechnické předpisy a normy ČSN, konzultace s investorem či zadavatelem na místě stavby. 5. Technické řešení – popis realizace díla, mohou být uvedeny informace o napojení na stávající rozvodnou síť, rozmístění elektroinstalačních prvků, informace o kabeláţi, rozváděčích, ochranách, spojení vodičů, typech vodičů… 6. Bezpečnost při montáži – poučení pracovníků před montáţí, prokázaná jejich elektrotechnická kvalifikace, zajištění práce v blízkosti zařízení pod napětím apod. 7. Použité normy a předpisy – výčet pouţitých norem ČSN při projektování a takových, které je nutno při práci dodrţet, aby instalace splňovala poţadavky na bezpečnou a adekvátní instalaci v daných prostorách. 8. Závěr – zhodnocení elektroinstalace z hlediska souladu s platnými normami, kdo můţe obsluhovat nainstalovaná elektrická zařízení… 9. Přílohy – velmi důleţitá součást technické zprávy, která obsahuje detailní rozpisku pouţitého materiálu a konečně samotnou výkresovou část (schéma zapojení, pohledy, dispoziční řešení, schéma rozváděče/rozváděčů, výkres hromosvodu).
10
10. Dále se uvádí místo, investor, dodavatel, projektant, zpracovatel projektu, stupeň dokumentace. Tyto informace bývají zpravidla na titulní straně spisu, často, i všechny na jednotlivých výkresech. 2.1.2 Doporučené složení výkresové části projektové dokumentace V dnešní době se v praxi se uplatňuje pouţití CAD nástrojů pro tvorbu grafických dokumentací. Výjimkou však nejsou i ruční nákresy, zvláště menších celků, schémat. Situační schémata, která zobrazují polohu a umístění elektrických předmětů v prostoru se doporučují tvořit v měřítku 1:50, aby byla zachována přehlednost. Tohle měřítko samozřejmě neplatí například pro nákresy rozváděčů, ty se tvoří daleko podrobněji, ale vţdy v prvé řadě záleţí na sloţitosti zobrazované situace. Pro veškerou grafickou dokumentaci platí norma ČSN ISO 5457, která upravuje formát a úpravu výkresových listů, její podrobnější popis by byl nad rámec této práce, proto se jí nebudu dále zaobírat. [3]
2.2 Projektant, autorizovaná osoba Ač odborné názvosloví nezná pojem „projektant“, tento se hojně uţívá. Terminologicky správně se uţívá pojmu „autorizovaná osoba“. Autorizovaní inţenýři a technici, kteří vytvářejí projektovou dokumentaci v oboru techniky prostředí staveb, potřebují ke své činnosti značný rozsah odborných metodických a technických vědomostí, které získali jednak v rámci svého odborného vzdělání a jednak v průběhu své odborné praxe. V České republice existuje sdruţení „Česká komora autorizovaných inţenýrů a techniků“ (ČKAIT), která stanovuje podmínky pro práci, kvalifikaci a znalosti autorizovaných osob. Důkazem toho, ţe projektant je profesně způsobilý ve svém oboru je tedy skutečnost, ţe úspěšně sloţil autorizační zkoušky ČKAIT a aktivně provozuje svoji činnost. [3] Studijní materiál: ŠÍMA, V., POHLUDKA, J. Elektrické rozvody a vnější vlivy. Praha: IN-EL, 1997. 84 s. ISBN 80-86230-16-1.
11
3 Základní prvky elektrické instalace 3.1 Proudový chránič 3.1.1 Princip funkce proudového chrániče Princip funkce proudového chrániče (PCH), viz Obr. 1 by měl být pro čtenáře této práce známý, přesto uvedu několik základních informací. Proudový chránič pracuje na principu porovnávání proudů v pracovních vodičích. Prvek, který zajišťuje ono porovnávání se nazývá součtový transformátor (ST) a je tedy součástí kaţdého proudového chrániče. Za normálního stavu, bez poruchy je vektorový součet proudů procházejících ST roven nule (proudy v obou směrech se rovnají a jejich magnetické účinky se nulují). V případě poruchy se situace mění. V místě poruchy začne odtékat poruchový (reziduální, rozdílový) proud mimo pracovní vodiče – do země, do ochranného vodiče, který není (ani nesmí) být jištěn. V této situaci je ST protékán v jednom směru větším proudem neţ ve směru druhém, tím pádem se magnetické indukce nevyruší, nastane nerovnováţný stav a v jádře ST se vytvoří magnetický tok, který budí napětí a proud v sekundárním vinutí. Tento proud způsobí vybavení chrániče. Proudový chránič se skládá ze tří základních konstrukčních částí – součtového proudového transformátoru, vybavovacího relé (VR) a spínacího mechanismu. Kaţdý PCH se vyznačuje rychlým rozpojením obvodu v případě, kdy reziduální proud překročí proud vybavovací. Odpojení nastává v rozmezí 10 aţ 30 ms, u PCH se zpoţďovačem se jedná o desítky milisekund. [4] 3.1.2 Vlastnosti proudového chrániče Mezi základní vlastnosti proudových chráničů patří: 1. Citlivost – jiţ z výroby je kaţdý PCH určen pro určitou hodnotu vybavovacího proudu. Tento parametr stanovený výrobcem se nazývá jmenovitý reziduální proud, označovaný jako IΔn. Je také stanoveno, ţe PCH nesmí vybavit, pokud reziduální proud nedosahuje 50% IΔn, můţe vypínat v rozmezí 50 aţ 100% IΔn a nad 100% IΔn včetně musí vybavit spolehlivě a v určeném čase. 2. Ochrana před nadproudy – jedná se vlastně o sloučení jističe, nebo pojistky s proudovým chráničem. Z principu funkce PCH je jasné, ţe chrání před unikajícím reziduálním proudem, ale nezjistí nadproudy v pracovních vodičích – při případném zkratu fází nijak nereaguje. Některé moderní PCH tedy slučují funkci jističe jeho vestavbou. 3. Unikající proudy elektrických zařízení – kaţdé elektrické zařízení vykazuje určitý unikající (svodový) proud označovaný IS, který se odvíjí od kvality izolace, způsobem pouţití, podmínek, kde je zařízení provozováno. Od hodnoty tohoto proudu se určuje hodnota citlivosti PCH před jeho instalací. Pokud není uvedeno jinak, pouţívá se citlivost 30 mA. 4. Poruchové vypínací časy – krátký vypínací čas je „vizitkou“ kvalitního PCH, pokud se ovšem nejedná o zpoţděný typ. Je důleţité si uvědomit, ţe časy, které jsou udávané výrobcem jsou stanovovány za laboratorních podmínek, s přesně danými hodnotami reziduálních proudů. Ve skutečnosti jsou tyto proudy mnohonásobně větší (například při napětí na neţivé části, nebo při přímém dotyku ţivé části). Proto v praxi PCH vybavují v řádech jednotek milisekund. 12
3.1.3 Konstrukční části proudového chrániče Přístroj se skládá minimálně ze tří hlavních prvků zajišťujících provoz. Jedná se o součtový proudový transformátor, který detekuje reziduální proud, dále vybavovací relé, které při protékání určité hodnoty proudu sepne kontaktní mechanismus – třetí nutnou část PCH. Dalšími nedílnými prvky jsou zkušební zařízení pro ověřování funkce chrániče a kryt kryjící celé zařízení. Ten musí vyhovovat poţadovanému stupni krytí IP, materiál musí mít dostatečnou mechanickou i elektrickou pevnost pro běţné zacházení, vývody od sebe vyţadují určitou vzdálenost na ochranu proti plazivým proudům při zvýšené vlhkosti vzduchu, kryt musí odolávat vysokým teplotám blíţícím se aţ tisíci stupňů celsia, aniţ by došlo ke sníţení pevnosti částí nesoucí ţivé části. Dalším, v různorodých aplikacích pouţívaným prvkem je elektronický modul (EM). Tato částice se pouţívá ke zvýšení kvality práce PCH několika moţnými způsoby, které jsou v určitých situacích nutné či ţádoucí. EM můţe být přizpůsoben pro řešení následujících problémů: 1. Zlepšení citlivosti na stejnosměrný pulzující proud – dosahuje se pouţitím sériového kondenzátoru v sekundárním vinutí ST, uplatnění v PCH typu A. 2. Zvýšení odolnosti proti rázovému proudu – po aplikaci útlumového členu na sekundárním vinutí je potlačeno vybavování pří rázech (zapínání zářivek, ţárovek, motorů). Jako útlumový člen se často pouţívají dvě antiparalelní diody v pomocném sekundárním vinutí, které při se při rázu stanou vodivými a spotřebují část elektromagnetické energie. Zvýšení odolnosti proti rázovému proudu pomocí elektronického modulu se pouţívá do rázových proudů 250 A, u vyšších hodnot je třeba pouţít sloţitější obvody. 3. Zpoţdění reakce proudového chrániče – pouţívá se tam, kde je třeba oddálit vybavení při déletrvajícím reziduálním proudu vyšším, neţ je jmenovitý reziduální proud chrániče. Vyuţití nalézá v PCH typu G, dále u speciálních typů pro rentgeny a nakonec u typů S – selektivního typu. 4. Závislost na frekvenci – například u obvodů s pouţitými frekvenčními měniči je třeba, aby PCH byly odolné proti proudům o jiných frekvencích neţ je 50 Hz, které mohou unikat z filtrů. Jinou kapitolu tvoří úprava vypínací charakteristiky pro obvody pracující na jiných frekvencích. [4] 3.1.4 Typy proudových chráničů Dělení probíhá dle několika hledisek, které určují pouţití, funkci, parametry atd. chráničů. Uvedu zde přehled typů proudových chráničů, bliţší rozepisování by bylo nad rámec této práce. 1. Podle počtu pólů – dělíme na dvoupólové, třípólové, čtyřpólové a čtyřpólové s vypínáním tří pólů. 2. Podle časové závislosti vybavení – bez časového zpoţdění vybavení (pro všeobecné pouţití), s časovým zpoţděním vybavení – ty dále dělíme na typy G (se zvýšenou odolností), S (selektivní typ), CBR (speciální typ – jistič a PCH v jednom). 3. Podle citlivosti na různé druhy proudů – typ AC (citlivý na střídavé reziduální proudy), typ A (citlivý na střídavé a pulzující stejnosměrné reziduální proudy), typ B (citlivý na všechny druhy reziduálních proudů – „all stromsensitiv“).
13
4. Podle ochrany proti nadproudům – RCBO (s vestavěnou nadproudovou ochranou), RCCB (bez vestavěné nadproudové ochrany), RCD (pro montáţ do rozváděčů), PRCD (přenosné proudové chrániče), SRCD (zásuvkové proudové chrániče). 5. Podle závislosti na napájecím napětí – funkčně napěťově závislé (DI), funkčně napěťově nezávislé (FI), slangově „fíčko“. 6. Podle způsobu vypínání při vzniku reziduálního proudu – přímé vypínání, nepřímé vypínání, monitorování bez vybavení. [4]
Obr. 1 – princip proudového chrániče [11]
3.2 Jistič V článku 3.1 o proudových chráničích zaznělo slovo jistič. Jistič je dalším, zcela základním stavebním prvkem elektroinstalace, který byl vyvinut jako náhrada zastaralých pojistek, které po vykonání své funkce (přetavení) bylo nutno vyměnit za zcela nové. Jistič je však opakovaně spínatelný. Jistič sestává ze dvou spouští, z nadproudové (tepelné) a zkratové (elektromagnetické). Nadproudová spoušť pracuje na principu bimetalového pásku, rozepnutí při malých nadproudech trvá delší dobu, jako je tomu u pojistek. Naopak elektromagnetická spoušť při působení zkratových proudů vypíná okamţitě v řádech desetin sekundy. Stejně jako proudové chrániče i jističe nesou specifické parametry pro různorodá pouţití. Hlavními rozlišovacími prvky jsou jmenovitý proud (konstrukční proud), charakteristika jističe typů B, C a D, jmenovitá zkratová schopnost a třída omezení energie. 1. Charakteristika B – tento typ se uţívá tam, kde jsou jištěna zařízení, která při spouštění nevytvářejí proudové rázy, coţ jsou běţné domácí spotřebiče, zásuvkové domácí okruhy. 2. Charakteristika C – pouţívají se pro ochranu obvodů, ve kterých jsou zapojeny elektrické předměty způsobující proudové rázy, které vycházejí z jejich konstrukce. Jedná se o svítidlové obvody ţárovkové, zářivkové i výbojkové. 3. Charakteristika D – Tento, „nejtvrdší“ typ jističů se uplatňuje při jištění zařízení, kde dochází k silným rázům poměrně delšího trvání neţ u předchozích typů jističů.
14
Těmito zařízeními jsou např. svářečky, trojfázové motory se spouštěním jak hvězda – trojúhelník, tak přímo trojúhelník. 4. Jmenovitý proud – proud udaný v ampérech, pro který je jistič konstruován – proud, u kterého ještě nedojde k vypnutí při jakkoli dlouhém trvání. Jistič musí být volen tak, aby zapínací proud byl větší nebo roven proudu, který se objevuje při sepnutí zařízení, které je tímto prvkem jištěno. 5. Jmenovitá zkratová schopnost – hodnota proudu (nadproudu) v ampérech, při které výrobce zaručuje správné vypnutí bez poškození jističe, větší nadproudy mohou prvek nenávratně poškodit. Zkratová schopnost musí být volena tak, aby byla rovna, nebo větší neţ maximální zkratový proud, který můţe v obvodu nastat. Ten je zpravidla omezen nadřazenou pojistkou. 6. Třída omezení energie – stejně jako u proudových chráničů, i u jističů se setkáváme se selektivitou. Je to vlastnost, která nám zaručuje moţnost odpojení jen okruhu, ve kterém nastala porucha bez vypojení ostatních. Čím větší omezení energie (hodnoty jsou 1, 2, 3 pro jističe z řad B, C, D), tím vetší selektivita – například nadřazený jistič stejného jmenovitého proudu zůstane zapnut a jako první vypne podřízený, s větší třídou omezení. [4] Studijní materiál: KŘÍŢ, M. Dimenzování a jištění elektrických zařízení v praxi. Praha: IN-EL, 1997. 119 s. ISBN 80-902333-6-8.
15
4 Základní prvky elektroinstalací ve zdravotnictví Základní prvky obecných elektroinstalací byly uvedeny v předchozí části, nyní se dostáváme ke dvěma speciálním, avšak pro zdravotnické instalace nezbytným a typickým elementům. Tyto jsou zdroj nepřetrţitého napájení a motorgenerátor.
4.1 Zdroj nepřetržitého napájení Zdroj nepřetrţitého napájení, z anglického výrazu Unirruptible Power Supply (UPS) je základním předpokladem spolehlivé elektroinstalace chirurgického sálu. Dle zdravotnické terminologie se jedná o speciální záloţní zdroj, který napájí předepsané obvody a musí převzít zásobování energií okamţitě, (dle ČSN 33 2140 do 0,5 sekundy). Ve skutečnosti jsou tyto zdroje však ještě „pohotovější“. Úlohou UPS obecně však není jen funkce záloţního zdroje, avšak i chránit citlivá zařízení před poškozením v nejrůznějších oblastech lidského působení vlivem nebezpečných událostí v elektrorozvodné síti, jako jsou především napěťové špičky, poklesy napětí, rázy a šumy. Blokové schéma obecné UPS můţeme vidět na Obr. 2. 4.1.1 Princip UPS Je důleţité si uvědomit, ţe existuje několik typů UPS. Jedním ze základních parametrů je tzv. topologie záloţního zdroje – princip, na jakém přístroj pracuje je podobný, ale mění se dodatečné parametry a kvalita dodávané energie. 1. Napěťově závislý (Voltage Dependent, VD, off – line) – za normálního stavu jsou přístroje připojené přes UPS napájené síťovým proudem, s moţností filtrace přídavnými pasivními filtry. Akumulátory jsou nabité, měnič je v pohotovostním reţimu. V případě výpadku napájecí sítě dojde k aktivaci měniče (do 5 ms). Tento typ záloţního zdroje se pouţívá tam, kde je nutné zamezit výpadku napájení a omezit rušení sítě např. startujícími zářivkami. 2. Napěťově nezávislý (Voltage Independent, VI, line – interactive) – tyto UPS se vyznačují, v bateriovém reţimu, napěťovou a frekvenční nezávislostí. Za normálních podmínek zdroj pracuje jako typ VD, avšak dokáţe navíc upravovat napěťové rázy, pokles napětí, podpětí a přepětí. Tyto funkce jsou zdroji propůjčeny neustálou prací měniče, který je ve fázi se vstupním napětím a snímači, které hlídají jeho parametry. Nejdokonalejší UPS typu VI upravují výstupní napětí lineárně, nikoli skokově při jeho případné změně a jsou vybaveny tzv. bypassem (obchvatem), který slouţí pro překlenutí záloţního zdroje pro případ opravy. 3. Napěťově a frekvenčně nezávislý (Voltage Frequency Independent, VFI, true on - line double conversion) – nejdokonalejší typ UPS, jak je jiţ patrné s názvu, pracuje na principu dvojité konverze napětí. I za normálního reţimu, kdy je vstupní napětí zcela v pořádku, dochází k jeho usměrňování a napájení střídače tímto upraveným stejnosměrným napětím. Na druhé straně, v případě výpadku je energie z akumulátoru odebírána, přesným frekvenčním měničem konvertována a stabilizačními prvky stabilizována do velmi přesné a časově neměnné formy. VFI UPS tedy dokáţe poskytovat napětí, které je navíc v porovnání s předešlými typy navíc ošetřeno o transientní i harmonické zkreslení a frekvenční kolísání.
16
4.1.2 Parametry UPS Pravděpodobně nejzákladnějším faktorem pro výběr UPS je poţadovaný výkon. Tento výkon je udáván jako zdánlivý (VA). Pro správný výběr záloţního zdroje však potřebujeme znát nominální výkon, který se odvíjí od zálohované zátěţe. Existují dva typy zátěţí, a to lineární a nelineární, kde v prvním případě nedochází ke zkreslování proudu, ale můţe dojít pouze k fázovému posunu mezi sinusovým průběhem U a I. Druhý případ, nelineární zátěţ naráţí na problém zkreslení harmonického průběhu výstupních veličin. Doba zálohování je opět rozhodujícím faktorem. Udává se jako jmenovitá doba zálohování (JDZ), která je často zaměňována za reálnou dobu zálohování (RDZ). Rozdíl spočívá v tom, ţe RDZ je určena vybíjením plně nabité UPS vybíjecím proudem rovným 80% jmenovitého proudu. JDZ pak tedy 100% jmenovitého proudu. Ţivotnost akumulátorů je závislá především na jejich provozní teplotě, ideální je prostředí s neměnnou hodnotou 20 °C, nebo alespoň dlouhodobý průměr dosahující této hodnoty. Sloţitější zálohovací systémy můţe tvořit více paralelně zapojených záloţních zdrojů, coţ samozřejmě zvyšuje spolehlivost. Nejčastějším případem vícestupňového zálohování je paralelní redundance, kdy dochází k provozu dvou UPS o stejném výkonu, přičemţ výkon jedné je zcela postačující. THDI – činitel harmonického zkreslení uvádím především proto, ţe je velmi důleţitý pro systém UPS – motorgenerátor. Záloţní zdroje totiţ produkují zkreslení do vstupní napájecí sítě ve formě vyšších harmonických sloţek. THDI zde tedy můţe dosahovat aţ hodnoty 30%. Motorgenerátor (MTG) musí mít vyšší výkon, neţ je výkon UPS, a to proto, aby pokryl veškeré ztráty. Bývá zvykem tento MTG dimenzovat na dvojnásobný výkon neţ je jmenovitý výkon UPS. Záloţní zdroje jsou dle své konstrukce schopné zpracovávat jednofázové i třífázové napětí a dodávat téţ kterékoli nezávisle na vstupním. [9]
Obr. 2 – blokové schéma UPS [12]
17
4.2 Motorgenerátor 4.2.1 Princip Motorgenerátory jsou stroje umoţňující dlouhodobé dodávky elektrické energie při výpadku sítě. V našem případě jde o zásobení energií zdravotnické soustavy, avšak MTG své uplatnění nalézají v nejrůznější odvětvích, kde by případný dlouhodobější výpadek energie způsobil újmy na zdraví, ţivotě i majetku. MTG se skládá především ze spalovacího motoru a alternátoru, podle typu je schopen spalovat benzín, naftu, zemní plyn, propan-butan, zemní plyn i bioplyn. O správný provoz a výstupní napětí se starají řídící a měřící prvky, ochrany a jištění. 4.2.2 Spojení MTG s UPS Ve zdravotnických aplikacích velmi důleţitý aspekt. Při výpadku sítě dojde k nepřerušenému napájení pomocí UPS a současnému startu MTG, který je nutný pro dlouhodobé zajištění plynulé dodávky energie do všech potřebných obvodů. Z normy ČSN 33 2140 vyplývá, ţe motorgenerátor musí zajistit dodávku pro důleţité obvody do 120 sekund od výpadku, avšak současná moderní praxe je taková, ţe případný výpadek není na chirurgickém sále vůbec patrný, je pouze signalizován. Veškeré obvody je tedy nejbezpečnější napájet přímo z UPS, ke které se v při výpadku sítě připojí MTG. [9] Při určování postačujícího výkonu motorgenerátoru je nutné brát v úvahu jiţ zmiňovaný faktor THDI, který odráţí vstupní chování UPS. Předimenzování výkonu MTG se pohybuje od 1,3 při spojení se špičkovou VFI (zkreslení 5%) aţ do trojnásobného přesílení v případě nejjednodušších, VD (zkreslení aţ 30%) záloţních zdrojů. Motorgenerátory ve zdravotnictví je vhodné pouţít takové, které dovolují plynulé převzetí napájení v koordinaci s UPS. Při výpadku sítě a následném provozu záloţního zdroje dojde k automatizovanému startu MTG, jeho synchronizaci s UPS a konečnému napájení. Zcela automatizované soustavy pro náročné pouţití zajišťující nepřetrţitou dodávku elektrické energie se nazývají energocentra, viz Obr. 3.
Obr. 3 – blokové schéma energocentra [17] [9] Studijní materiál: ČSN 33 2140:1987 Elektrotechnické předpisy. Elektrický rozvod v místnostech pro lékařské účely 18
5 Přístrojové vybavení operačních sálů 5.1 Operační stůl Operační stůl (OST) s příslušenstvím je jeden ze základních prvků operačního sálu. Moderní OST tedy musí splňovat několik poţadavků, technického i uţitného rázu. Nejčastěji se tedy setkáme s multifunkčními stoly, které v sobě kloubí více základních parametrů, pro pouţití v oborech, jako jsou v základním stavu obecná chirurgie a v pouţití s různými přípravky traumatologie, gynekologie, ortopedie, neurochirurgie, plastická chirurgie… V prvé řadě je třeba zmínit, ţe se jedná o stoly elektromechanické, tedy primární nastavení (výška, různé sklony) jsou prováděny servomotory pomocí ovladače s pamětí různých nastavení. V současnosti se vyuţívá i nezávislého napájení – aby v prostoru kolem stolu nepřekáţely ţádné kabely, je moţno tyto odpojit a vyuţít zabudovaných akumulátorů. Pracovní deska sestává z několika (často 4-8) stavitelných segmentů, které se polohují podle poţadavků na konkrétní aplikaci, chirurgický výkon. Deska je zpravidla elektricky posuvná, vyhřívaná a musí být RTG transparentní a samozřejmě i výměnná. OST bývá také vybaven kolečky pro pojezd po sále. Další důleţitou součástí je normovaná eurolišta slouţící uchycení nejrůznějšího příslušenství po obvodu stolu. Provozní napětí bývá bezpečných 24V (je připojen ke 230 V, má vlastní transformátor). Pro operační stůl vyhrazujeme odběr 300 W. Rozšiřující příslušenství k OST je určeno pro aktuální potřeby, je tedy libovolně rozebíratelné a kombinovatelné. V obecné chirurgii se setkáme s rozličnými opěrkami (ramena, nohy, ruce, boční opěrky), stojany, závěsy pro infuzní materiál, anestezii, instrumentální drţáky, stolky a jiná příslušenství. Ostatní druhy chirurgie vyţadují dále specializované přípravky. Při gynekologických a urologických výkonech jsou základem urologické misky, gynekologické závěsy nohou, při ortopedii a traumatologii se jedná především o extenzní přípravky pro horní i dolní končetiny, rovnací stolice, upevňovací pásy. V neposlední řadě je nutné uvést, ţe příslušenství se montuje na jiţ zmiňovanou eurolištu, nebo je samostatně stojící. Za zmínku ještě stojí překládací zařízení, které bývá součástí operačních sálů hned z několika důvodů. Především je třeba zajistit oddělení mezi sterilním sálem a nesterilním okolím, dále pak bezpečný a plynulý překlad z OST na jiný stůl či na dospávací postel. Zařízení je vybaveno mechanickými a optickými snímači, které zajistí maximální bezpečnost. Napájení se provádí napětím 24V s vlastním záloţním zdrojem, ovládání je řešeno ovladačem stejně jako u OST. [10]
5.2 Operační lampa Operační lampa (OL) splňující několik důleţitých poţadavků je nedílnou součástí kaţdého operačního sálu. Pouţívají se halogenové a výbojkové systémy, v současnosti nastupují výkonné a především úsporné lampy s LED technologií. Mezi základní poţadavky na OL se řadí bezestínovost, spolehlivost, studené světlo o minimální intenzitě 25 kLx (dnes běţně 100 – 180 kLx), homogenní osvětlení bez ostrých stínů, moţnost integrace do systému (adaptace s ostatními komponenty) – připojení záznamového zařízení (kamery). V současnosti jsou nejpouţívanější systémy svítidel s halogenovou technologií, následuje technologie LED a aţ nakonec výbojové lampy. 19
Připojení OL k elektrické energii je provedeno přívodem ze zdravotnické izolované soustavy, a to několika moţnými variantami. Moderní OL mají často vlastní transformátor 230/24 V a také UPS. Pro provoz OL vyhrazujeme odběr 1000 W, i kdyţ LED technologie spotřebují značně méně. Jak uţ zde bylo uvedeno, nejmodernějším řešením je pouţití LED technologie. Její hlavní výhody spočívají v dlouhé ţivotnosti 50 000 – 100 000 hodin, coţ je při průměrném vytíţení operačního sálu 8 aţ 10 let provozu – velký pokrok ve srovnání s halogenovým zdrojem, který má ţivotnost cca 100 hodin. Dále jednodušší konstrukce (niţší hmotnost), variabilita barev LED, nulové tepelné záření ve svazku, plně elektronicky nastavitelné parametry svícení – teplota chromatičnosti, intenzita, fokusace, průměr světelného pole a jeho tvar. K nulovému tepelnému záření je nutno dodat, ţe vychází z funkce LED, kdy k vyzařování světla dochází na základě luminiscence a ne teplotní radiace, jako u halogenové ţárovky. U této technologie také odpadá pouţití součástek podléhajících mechanickému opotřebení. Obr. 4 znázorňuje bezestínový svazek světla operační lampy. Levá část obrázku (1) ukazuje vyuţití přídavného středového bodového přisvětlení, pravá (2) pak standardní bezestínový svazek. [10]
Obr. 4 – bezestínový svazek světla operační lampy [18]
5.3 Endoskopy, operační mikroskop Endoskop (ES) je přístroj, který primárně slouţí k zobrazení tělních dutin a dutých orgánů bez zbytečných chirurgických – invazivních zákroků. ES můţeme dělit na rigidní a flexibilní, dále podle konkrétního účelu a místa pouţití. V minulosti endoskopy slouţily především jako diagnostické nástroje, dnes existuje celá škála endoskopických nástrojů, kterými je moţno dosáhnout kompletního chirurgického výkonu bez nutnosti otevření pacienta invazivní metodou. Obr. 5 názorně ukazuje řez endoskopickou trubicí, která slouţí k zavedení do těla pacienta, kde pracuje jako monitorovací a zákrokový aparát.
20
Rigidní endoskopie vyuţívá tuhé nástroje, slouţící pro chirurgické obory jako jsou laparoskopie (vyšetření a zákroky v dutině břišní), artroskopie (klouby), otorinolaryngologie (ušní – nosní - krční). Flexibilní endoskopie uţívá pruţné a ohebné části, které se mohou dostat do dutých prostor bez invazivního zákroku. Zastoupené obory jsou především bronchoskopie (vyšetření průdušek), faryngoskopie (hltan), koloskopie (tlusté střevo). Moderní endoskopie je úzce spojená s digitálními kamerovými systémy s nahráváním, videoprocesory a elektronickými chirurgickými nástroji. Operační mikroskop (OM) se uplatňuje zejména při opthalmologii (oční), ORL (Otorhinolaryngologii – ušní, nosní, krční) a neurochirurgii, dentální a plastické chirurgii. Jeho prvotní funkce je přibliţování, ovšem aktuální vyuţití je daleko rozmanitější. OM je vybaven digitální kamerou a rozhraním pro další vyuţití snímků – lze uskutečnit distanční operace, distanční rozhodování za pomocí telematiky. Pro pouţití endoskopu a operačního mikroskopu vyhrazujeme odběr 200 W. [10]
Obr. 5 – řez endoskopickou trubicí [19]
5.4 Monitorovací systém a anesteziologický přístroj Anesteziologický přístroj (AP) spolu s monitorovacím systémem (MS) jsou nedílnou součástí kaţdého OS. MS k monitoringu vyuţívá snímání hodnot důleţitých ţivotní funkcí. V prvé řadě je třeba zmínit EKG (Elektrokardiogram), který je sloţen z výstupů z několika nezávislých svodů, elektrod, které zajišťují přesné a spolehlivé měření. Ukázku průběhu jedné periody EKG signálu uvádí Obr. 3. Body diagramu označované jako Q,R,S,T mají význam jednotlivých fází srdečního cyklu, resp. jejich elektrické aktivity, kterou snímáme a pak dále vyhodnocujeme. NIBP (Neinvazivní metoda měření krevního tlaku) je prováděna oscilometricky a snímá systolický, diastolický a střední tlak. Tělesná teplota je měřena termistorem. Dalšími
21
důleţitými parametry jsou hodnoty SpO2 (pulzní oxymetrie – saturace hemoglobinu kyslíkem), ETCO2 (vydechovaný CO2). MS tedy sestává s několika čidel, elektrod a z monitoru, který zobrazuje naměřené hodnoty. Anesteziologický přístroj úzce souvisí s MS, jejich součinností je dosaţeno vyţadovaného stavu pacienta pro výkon chirurgické praxe. Prvotní funkcí přístroje je, jako jiţ vyplývá z názvu, anestezie. Přístroj mixuje anestetické plyny se směsí kyslíku a oxidu dusného v závislosti na nastavení uţivatelem (anesteziologem) a údaji z MS. Veškeré hodnoty, objemy a poměry jsou elektronicky kontrolovány pro zajištění dostatečné přesnosti a spolehlivosti systému. Současné sestavy AP + MS mají vlastní UPS, záloţní tlakové lahve dýchacích plynů a jsou tak schopné pracovat při výpadku energie ze zdravotnické izolované soustavy 4 – 8 hodin. Vyhrazený odběr ze sítě činí 500 W. [10]
Obr. 6 – křivka EKG signálu [13]
5.5 Elektroskalpel, koagulace Elektroskalpely (ESK), jejichţ základem je vysokofrekvenční generátor s modulací lze dělit na dvě hlavní skupiny – monopolární (viz Obr. 4) a bipolární. V současnosti však většina ESK slučuje obě tyto varianty a lze podle potřeby pouţít obojí. Monopolární technika spočívá v pouţití neutrální elektrody a aktivního nástroje (elektrody), bipolární obsahuje chirurgický nástroj, který má obě elektrody integrovány do sebe. Z fyziologického vnímání elektrických impulzů vyplývá frekvence ESK, která leţí v intervalu od 300 kHz do 1 MHz. Důleţitým faktorem, kromě vlastní frekvence je způsob modulace vysokofrekvenčního signálu, jejímţ řízením lze dosáhnout poţadovaných vlastností při pouţití ESK. Princip funkce přístroje je zaloţen na bodovém ohřevu tkáně proudem z různých tvarů elektrod, které tak slouţí ke kvalitní elektrotomii (oddělování tkáně elektroskalpelem), nebo naopak ke koagulaci (sráţení proteinů). Určitá míra koagulace je dosaţena jiţ samotným pouţitím ESK při řezu a související vysoké teplotě 60 – 300 °C dle aktuální aplikace. Pouţití ESK s sebou nese určitá rizika i speciální poţadavky. Především je třeba zajistit dokonalou izolaci operačního stolu – pacienta – okolní a okolních osob, dbát zvýšené pozornosti monitorovacím přístrojům. Při elektrotomii dochází i při správném pouţití k výbojům, které mohou způsobit výbuch desinfekčních a odmašťovacích
22
přípravků, moţné jsou i interakce se staršími typy jiných zdravotnických elektronických přístrojů. ESK je připojen ke zdravotnické izolované soustavě, příkon se pohybuje 100 - 300 W. [10]
Obr. 7 – schéma užití monopolární techniky [14]
5.6 Defibrilátor Defibrilátor je další důleţitá elektronická součást kaţdého operačního sálu. Pouţívá se při kardiopulmonální resuscitaci, kdy je pomocí elektrického proudu dosaţena správná činnost srdce. Při fibrilaci dojde k nekoordinovaným stahům srdečních komor, defibrilátor svým elektrickým proudem depolarizuje srdeční buňky, čímţ je umoţněn start srdce přirozenými fyziologickými impulzy. Defibrilátory lze dělit na profesionální, automatické externí (AED – Automatic External Defibrillator) a implantované. Cyklus funkce lze popsat jako nabíjení při současném měření impedance mezi elektrodami, volba vhodné dávky, výboj. Profesionální přístroje umoţňují nastavit veškeré parametry, automatické (pouţívané laiky) provedou vše automatizovaně dle naměřených hodnot. Energie při výboji se pohybuje od 1 do 360 J, nabíjení podle typu, vybavenosti přístroje od 1 do 10 s. Defibrilátory obvykle mají vlastní akumulátor nejen pro případ výpadku energie ze ZIS, ale i pro pouţití mimo operační sál, mimo zdravotnické zařízení. Standardní napájení je provedeno 230 V, normovaný příkon se pohybuje okolo 200 W. [10]
5.7 Elektricky napájená odsávačka Slouţí k odsávání tekutin, ať uţ fyziologických, či jiných, pouţívaných při zákroku. Odsávačka patří k přístrojům, které jsou napájeny rozvodem 230 V (100 – 500 W) ze ZIS. Základní poţadavky jsou tichý chod a vyvíjený podtlak minimálně -500 mm Hg (-0,667 23
bar). Elektricky napájené odsávačky se pouţívají tam, kde není zaveden centrální rozvod vakua. [10]
5.8 Ohřívač roztoků Zajišťuje předehřev infuzního materiálu, krevních derivátů, aplikačních roztoků, apod. Můţeme je rozdělit na průtokové a na vyhřívané vodní lázně. Průtokové slouţí přímo pro infuzní účely, vyhřívané lázně pak pro přípravu mycích a výplachových roztoků, ohřev vaků a lahví. Ohřívače musí splňovat zdravotnické poţadavky na přesnost ohřevu a násobné jištění při eventuální poruše – nepřípustné je překročení nastavené teploty. Napájení je provedeno 230 V (50W) ze ZIS, přenosné ohřívače lze připojit ke 12 V DC (sanitní vůz). [10]
5.9 RTG systém s TV řetězcem RTG systém s TV řetězcem je dnes běţnou součástí moderních operačních sálů. Jedná se zejména o digitální varianty, které umoţňují pozorování a úpravu snímků na PC, jejich dálkové pozorování, ukládání přímo do karty pacienta. RTG pracuje na principu zeslabování rentgenového záření při průchodu materiálem. Dle hustoty a síly materiálu je výsledný snímek zachycen na RTG citlivé desce, u digitálních přístrojů pak na digitálním detektoru. Existují dva hlavní typy rentgenů – skiagrafický (výsledkem jsou trvalé snímky v podobě negativu obrazu na desce) a skiaskopický (umoţňuje přímé pozorování výsledku na fluorescenčním stínítku). Radioisotopový termoelektrický generátor (odtud RTG – Radioisotope Thermoelectric Generator) slouţí jako zdroj stejnosměrného proudu, který získává energii z rozpadu izotopu plutonia (238PuO2). Obr. 8 popisuje zpracování RTG obrazu s vyuţitím digitalizace a přímého zobrazení na monitoru s moţností filtrování a digitálním zpracováním obrazového signálu pro dokonalejší interpretaci. Jmenovitý výkon se ve většině aplikací pohybuje mezi 30 – 80 kW. RTG bývá zapojen na samostatný (oddělený od ostatních okruhů) přívod jištěný často na 100 ampér. Moderní RTG sice nezpůsobují proudové rázy, ovšem ve své práci počítám s dimenzací pro jakýkoliv, i analogový RTG systém. Zmíněné moderní přenosné RTG jsou schopny pracovat s připojením do separátní zásuvky 230 V / 16 A. [10]
Obr. 8 – schéma RTG s TV řetězcem
24
6 Vhodné technické a technologické vybavení OS Chirurgické sály lze dělit podle účelu na několik typů. Např. sály pro běţnou chirurgii, kardiochirurgii, onkologickou či oční chirurgii. Smyslem této práce je obecné řešení, tj. zabýváme se sálem pro běţnou chirurgii se standardním vybavením.
6.1 Způsoby přenosu informací Přístroje v moderním operačním sále jsou napojeny na nemocniční informační systém (NIS), který zajišťuje dostupnost zaznamenaných dat pro široké spektrum zúčastněných osob – lékařů, zdravotnických techniků, také pro studijní a vědecké účely. Spojení je provedeno pomocí LAN (Local Area Network – místní síť pomocí WIFI), nebo telemetricky (na velké vzdálenosti). Výhodou poslední jmenované moţnosti je schopnost poskytnout snímaná data (např. signál EKG) vzdálené třetí osobě, lékaři, který tak dokáţe bez své přítomnosti rozhodovat, pomáhat operatérům při zákroku. S pouţitím telemetrie se také naskýtá moţnost přímé distanční operace s vyuţitím robotiky, operačních robotů, jak názorně ukazuje Obr. 6. [10]
Obr. 9 – způsob distančního využití operačního robotu [16]
6.2 Technické řešení operačních sálů Při návrhu OS je třeba brát zřetel na specifické technické poţadavky. V praxi se uplatňují komplexy sloţené ze 4 – 8 operačních sálů, a jejich obsluţných místností pro anestezii, mytí, přípravu, dále sklady, sesterny, dospávací pokoje, sociální zařízení atd. Příklad tohoto komplexu, typického rozvrţení a situaci ukazuje Obr. 10. Dle vyhlášky Ministerstva zdravotnictví ČR je nutné dodrţet zásady týkající se způsobu provedení takto určených prostor. Operační sály s přilehlými místnostmi jsou nutně povaţovány za prostory, kde je vyţadován vysoký stupeň čistoty a desinfekce. Primárně je třeba zajistit maximální separaci od okolí – maximální potlačení hluku, tepelného záření, elektromagnetických polí a emisních vlivů venkovního prostředí. Větrání je provedeno zdravotnickou klimatizační soustavou pracující v přetlakovém reţimu s rekuperací vzduchu a desinfekčními, antibakteriálními filtry. Další nutné vybavení spočívá v centrálním rozvodu plynů. Kyslík (O2) a oxid dusný (N2O) je přiveden pod minimálním tlakem 5 barů, ovšem běţně i 30 – 40 barů. Centrálně řešené je i vedení podtlaku o minimální hodnotě -0,667 baru. Operační sál je také nutno vybavit izolovanou sítí uzemnění, antistatickou podlahou vycházejí z normy ČSN 33 2140. Před realizací projektu je třeba deklarovat pouţité prvky a vybavení. V samotném projektu bude zanesena kompletní elektroinstalace pro operační sál, místnost pro podání 25
anestetik a přípravnu, vše s napojením na zdravotnickou izolovanou soustavu a UPS. Projekt bude vypracován v programu EPLAN. [10]
Obr. 10 – schéma soustavy operačních sálů [20]
6.3 Použité prvky obecné elektroinstalace v komplexu sálů Rozvaděč s vybavením – jističe, proudové chrániče, oddělovací transformátor, UPS, stropní zářivková svítidla, barevně odlišené zásuvky jednotlivých obvodů ZIS, vypínače, zemnící body, pevné přívody (rozvody) kabely CYKY, pohyblivé CMSM.
6.4 Použité specifické prvky a zdravotnické vybavení Stropní a podlahové stativy pro rozvod energií (netýká se elektroinstalace), operační stůl, operační lampa, endoskopy, operační mikroskop, monitorovací systémy, elektroskalpel, defibrilátor, elektricky napájená odsávačka, ohřívač roztoků, RTG systém, napojení na NIS - připojení k LAN (WiFi). Studijní materiál: KOLÁŘ, R. Lékařská diagnostická technika. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2007.
26
7 Návrh el. instalace komplexu operačních sálů 7.1 Konkretizace záměru V prvé řadě je třeba ujasnit, co je vlastně cílem a obsahem konkrétní projektové dokumentace. Komplex operačních sálů byl zjednodušen na jejich základní stavební a také samostatně fungující buňku, tj. operační sál, přípravnu a anesteziologickou místnost. S tímto také souvisí zjednodušená technická zpráva, která se omezuje na technické řešení a na některé základní parametry.
7.2. Vlastní technické řešení (část technické zprávy) 7.2.1 Připojení k síti, základní silové prvky Připojení k síti 3/N/PE (3 x 400 V) je provedeno kabelem CYKY 3 x 240 + 120 mm2. Měření odběru je provedeno centrálně na vyšší struktuře instalace. Spínací blok F100 je dimenzován na 400 A, při návrhu je počítáno se 100% soudobostí. Oddělovací transformátor T1 o fázovém napětí 230V poskytuje jmenovitý výkon 200 KW, coţ bezproblémově pokryje potřeby komplexu. Za transformátorem se nachází opět stejný spínací blok pro potřeby spuštění náhradního napájení a zábraně zpětných proudů. Blok UPS (120 KW), jehoţ součástí je dieselagregát o výkonu 200 KW je přes pojistkový odpínač (200A, noţové tavné pojistkové bloky) připojen za výstup T1. Přímo za T1 se dále nachází vývody pro rozvaděč RM1, separátní vývod k RTG a rezerva pro případné rozšiřování a řešení případných technických problémů ve stávající struktuře. Veškerá kabeláţ zmíněných prvků je realizována kabelem CYKY 3 x 120 + 75 mm2. Ochrana před dotykem ţivých částí je provedena proudovými chrániči. 7.2.2 Instalace v jednotlivých místnostech Rozvaděč RM1, umístěný přímo v chirurgickém sále je vybaven proudovými chrániči LFI 25B se signalizací izolačního stavu pro veškeré světelné i zásuvkové okruhy. Dále jističi – světelné okruhy jištěny na 10A, zásuvkové na 16A. Všechny zásuvkové okruhy jsou provedeny jako velmi důleţité obvody (v souladu s vlastním návrhem dokonale jištěného komplexu) pro zajištění maximální zálohy všech pouţitých přístrojů. Zásuvky jsou oranţové barvy a mají vlastní ochranu proti přepětí. Ve stávajících instalacích jsou však často pouţity zásuvkové obvody typů MDO (bílá barva) a DO (ţlutá barva). Právě proto jsou uvedeny ve výkresové části, i kdyţ splňují poţadavky oranţových VDO obvodů. Rovnoměrné zatíţení fází je řešeno číslováním zásuvek s přihlédnutím k předpokládaným odběrům přístrojů. Stropní zářivková svítidla vyhovují potřebám pro pouţití v místnostech pro zdravotnické účely, mají IP 44, sníţený tepelný výkon, elektronický start, kaţdé těleso o výkonu 2 x 58W. Celkový instalovaný výkon (maximální soudobost) stropních svítidel v komplexu je 3480 W (30 zářivkových těles). Kaţdá z instalovaných místnostní je vybavena třemi zemnícími body pro ochranné pospojování. Veškerá zásuvková kabeláţ za rozvaděčem RM1 je provedena kabelem CYKY 3C x 4 2 mm , světelné okruhy CYKY 3A x 4 mm2 a vnitřní obvody v RM1 jsou drátovány CYA 4 mm2, přívodní cesty k řadám jistících prvků pak pomocí CYA 16 mm2. Separátní přívod pro stacionární RTG je realizován CYKY 3 x 120 + 75 mm2. 27
7.2.3 Předpokládané odběry instalovaných přístrojů v OS, přiřazení k okruhům Zásuvky VDO (X26 – X29) -
operační lampa 1000 W monitorovací a anesteziologický systém 500 W defibrilátor 200 W
Zásuvky DO s funkcí VDO (X22 – X25) - operační stůl 300 W - endoskopy, mikroskop 200 W - elektroskalpel 300 W - ohřívač roztoků 50 W Celkový předpokládaný odběr ze zásuvkových okruhů ZIS při maximální soudobosti je 2550 W. Samostatnou sloţkou je pak RTG, který v případě vlastního návrhu je klasický analogový (kvůli typické dimenzaci), s vlastním přívodem a výkonem 80 KW. V případě pouţití moderních mobilních přístrojů je výkon moţno omezit na výkon jištěný jističem 16 A, tj. RTG do maximálního příkonu 3600 W. Souhrn: Rozsah výkresové části je 14 stran včetně kusovníku a obsahu. Celkový instalovaný příkon činí 9630 W. Rezerva výkonu za rozvaděčem RM1 pro další aplikace je 33840 W při maximální soudobosti. Elektroinstalace vyhovuje normě ČSN 33 2140.
28
8 Zhodnocení práce Cílem první části projektu bylo základní seznámení s danou problematikou. Body vytyčené v zadání byly splněny a výsledkem byla technická rešerše (BB1E). Ke studiu byly vyuţity uvedené literární zdroje, avšak jejich hlavní vyuţití přichází s tvorbou vyšších stupňů této práce. Další etapou projektu byla část nazvaná BB2E, ve které je řešeno technické vybavení chirurgického sálu a jsou shromáţděny zásady a poţadavky pro elektroinstalaci chirurgického sálu. Semestrální projekt vychází především z platné technické normy ČSN 33 2140, která stanovuje poţadavky pro elektroinstalaci v místnostech pro lékařské účely obecně, určuje konkrétní podmínky pro daný typ zdravotnického oddělení a upravuje veškeré aspekty pro jejich navrhování, provoz a údrţbu. Poslední částí, právě dokončenou bakalářskou prací BBCE je úkol završen. Realizace proběhla s vyuţitím CAD technologií (programu EPLAN). Oproti BB2E je bakalářská práce rozšířena o vlastní návrh technického řešení a výkresovou část vyhovující normě ČSN 33 2140.
29
9 Seznam studijní a shromážděné literatury [1] ŠTĚPÁN, F. Proudové chrániče. Praha: IN-EL, 2001. 183 s. ISBN 80-86230-20-1. [2] ROUS, Z. Přepěťové ochrany. Praha: IN-EL, 1999. 146 s. ISBN 80-86230-06-6. [3] ŠÍMA, V., POHLUDKA, J. Elektrické rozvody a vnější vlivy. Praha: IN-EL, 1997. 84 s. ISBN 80-86230-16-1. [4] KŘÍŢ, M. Dimenzování a jištění elektrických zařízení v praxi. Praha: IN-EL, 1997. 119 s. ISBN 80-902333-6-8. [5] KOČVARA, A. Uzemňování elektrických zařízení. Praha: STRO.M, 1995. 93 s. ISBN 80-85677-14-6. [6] JIRUŠKA, J. Elektrická instalace v hořlavých hmotách a na hořlavých podkladech. Praha: STRO.M, 1995. 99 s. ISBN 80-56746-4-6. [7] CENEK, M., HODINÁŘ, V., KOZUMPLÍK, J. Akumulátory a baterie. Praha: STRO.M, 1996. 139 s. ISBN 80-45467-5-6. [8] KALÁB, P., STEINBAUER, M., VESELÝ, M. Bezpečnost v elektrotechnice. Brno: FEKT VUT v Brně, 2006. 92 s. [9] ČSN 33 2140:1987 Elektrotechnické předpisy. Elektrický rozvod v místnostech pro lékařské účely. [10] KOLÁŘ, R. Lékařská diagnostická technika. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2007.
Použité obrázky: [11] www.tzb-info.cz [12] www.control-design.de/.../UPS/body_ups.html [13] http://long-qt-syndrome.com/ekg_readout.html [14] PŘÍRUČKA ELEKTROCHIRURGIE [Dokument PDF], Fénix Brno s.r.o., 2008. Dostupné na www.fenix.cz/archiv/archiv_68/prirucka_hf_2008_cz.pdf [15] http://encyklopedie.seznam.cz/heslo/88741-rentgen [16] http://www.lsr.ei.tum.de/typo3temp/pics/ [17] http://www.p-z.cz/cs/site/pz-energeticke-sys/pz-es-zabezpecene-napajeni.htm [18] http://www.fenix.cz/archiv/archiv_63/navod_martin_marlux_cz.pdf [19] http://cust.sweb.cz/fmm/endoskop.htm [20] KOLÁŘ, R. Lékařská diagnostická technika. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2007.
30
10
Seznam zkratek
BB1E – semestrální projekt 1 BB2E – semestrální projekt 2 BBCE – bakalářská práce CAD – Computer Aided Design (počítačově tvořený design) ZIS – zdravotnická izolovaná soustava IT – izolovaná síť MDO – méně důleţité obvody DO – důleţité obvody VDO – velmi důleţité obvody OS – operační sál UPS – Unirruptible Power Source (zdroj nepřetrţitého napájení) ČSN – česká státní norma ISO – International Organization for Standardization (mezinárodní norma) ČKAIT - Česká komora autorizovaných inţenýrů a techniků PCH – proudový chránič ST – součtový transformátor VR – vybavovací relé EM – elektronický modul IP – International Protection CBR - jistič a PCH v jednom AC – typ PCH citlivý na střídavé reziduální proudy RCD – typ PCH pro montáţ do rozváděčů RCBO – PCH s vestavěnou nadproudovou ochranou RCCB - PCH bez vestavěné nadproudové ochrany PRCD - přenosné proudové chrániče SRCD - zásuvkové proudové chrániče DI - napěťově závislé PCH FI – napěťově nezávislé PCH VD – Voltage Dependent (napěťově závislý) VI – Voltage Independent (napěťově nezávislý) VFI – Voltage – Frequency Independent (napěťově – frekvenčně nezávislý) VA – zdánlivý výkon (jednotka Voltampér) JDZ – jmenovitá doba zálohování RDZ – reálná doba zálohování THDI – Total Harmonic Distortion Index (činitel harmonického zkreslení) MTG - motorgenerátor OST – operační stůl LED – Light Emitting Diode (Světlo vyzařující dioda) OL – operační lampa ES - endoskop OM – operační mikroskop ORL – otorhinolaryngologii MS – monitorovací systém AP – anesteziologický přístroj EKG - elektrokardiogram NIBP – (Non-Invasive Blood Pressure) neinvazivní měření krevního tlaku SPO2 - pulzní oxymetrie – saturace hemoglobinu kyslíkem ETCO2 – vydechovaný CO2 31
RTG - Rentgen ESK - elektroskalpel LAN – Local Acces Network (místní síť) WiFi – Wireless Fidelity (bezdrátová lokální síť, také WLAN) NIS – nemocniční informační systém
32
11
Seznam příloh
Příloha 1. Projekt Elektroinstalace chirurgického sálu (samostatné PDF)
33
