Wpływ zaburzeń elektromagnetycznych na wszczepialne urządzenia medyczne

Wszczepialne urządzenie medyczne umieszcza się w ciele pacjenta podczas zabiegu i się je tam pozostawia, aby działały także po zakończeniu operacji, zwykle zasilane energią elektryczną z baterii. Przykładami są: rozruszniki serca, kardiowertery- defibrylatory serca oraz stymulatory nerwu błędnego. Liczba wszczepianych urządzeń medycznych stale rośnie. Przyczynia się do tego postęp w zakresie rozwiązań medycznych, które podtrzymują i poprawiają jakość życia i technologii pozwalających na ich wdrożenie, a z drugiej strony niestety zwiększająca się liczba osób, które takich implantów potrzebują ze względu na pogorszenie stanu zdrowia. To zaś wynika ze starzenia się społeczeństw i szerzenia się chorób cywilizacyjnych.

Jak działa rozrusznik serca?

 

Fot. 1. Systemy wykrywania i zapobiegania
arytmii serca, pomiar ciśnienia krwi staje się domeną smartwatchy. Takie możliwości daje m.in. zegarek Samsung Galaxy Watch 4

Przykładami ostatnich są schorzenia sercowo-naczyniowe, które są jednym z częstszych powodów zgonów na świecie. Ich objawem są zaburzenia rytmu serca spowodowane nieprawidłową pracą węzła zatokowo-przedsionkowego, który jest odpowiedzialny za generowanie elektrycznych impulsów pobudzających serce do skurczów. Wówczas rytm serca może być za szybki, zbyt wolny albo nieregularny. Takie same problemy występują, jeżeli zostaną zablokowane drogi przewodzenia impulsów. W przypadku wystąpienia takich wskazań medycznych pacjentowi wszczepia się rozrusznik. Urządzenie takie składa się z dwóch głównych części: generatora impulsów elektrycznych oraz przewodów z elektrodami podłączonymi do serca. Poza tym rozrusznik wyposaża się w czujniki do monitorowania bicia serca i pamięć pokładową do rejestrowania tych danych. Sensory aktywują generator impulsów, jak tylko wykryją nieprawidłowy rytm serca.

Czym jest stymulator nerwu błędnego?

Zaburzenia neurodegeneracyjne to drugi typ chorób przewlekłych, których objawy próbuje się zmniejszyć za pomocą wszczepialnych urządzeń medycznych. Do tej grupy schorzeń zalicza się m.in. padaczkę, która jest jedną z najczęstszych chorób neurologicznych. Polega ona na występowaniu zaburzeń bioelektrycznych neuronów w korze mózgowej, objawiających się w postaci napadów padaczkowych. Pacjentom z tą chorobą pomóc może stymulator nerwu błędnego. Składa się on z elektrody przymocowanej do nerwu błędnego w szyi, połączonej z generatorem impulsów elektrycznych wszczepionym w klatce piersiowej. Sygnały te, za pośrednictwem nerwu błędnego, docierają do mózgu chorego. To zapobiega lub ogranicza napady padaczki. Oprócz tego stymulatory nerwu błędnego pomagają pacjentom z depresją, chorobą Parkinsona i chorobą Alzheimera.

Podatność na zaburzenia i ich źródła

Choć wszystkie sprzęty medyczne z wbudowaną elektroniką są narażone na wpływ zaburzeń elektromagnetycznych, urządzeń wszczepialnych dotyczy to w szczególności. Będąc bowiem integralną częścią ciała pacjenta, razem z nim mogą przebywać w miejscach, gdzie występują źródła promieniowania. Te ostatnie są wszechobecne. Chociaż bowiem na świecie obowiązują przepisy dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej, które dopuszczalne poziomy emisji promieniowania regulują, niekiedy jest ona nieunikniona, a nawet w określonych okolicznościach albo w razie awarii urządzenia, podwyższona.

Osoby z implantami muszą w związku z tym zachować szczególną ostrożność podczas korzystania, a nawet, w zależności od specyfiki urządzenia, jedynie przebywania w pobliżu: telefonów komórkowych, kuchenek mikrofalowych, systemów RFID, na których opierają się na przykład zabezpieczenia przed kradzieżą wykorzystywane w galeriach handlowych, wykrywaczy metali używanych na przykład podczas kontroli bezpieczeństwa na lotniskach, słuchawek i krótkofalówek.

Na promieniowanie są oprócz tego narażeni w środowisku pracy oraz w pobliżu obiektów przemysłowych. Jego źródłem są m.in.: wieże telekomunikacyjne, stanowiska do spawania łukowego, mikroskopy elektronowe, zasilacze.

Nieoczekiwane źródła zaburzeń

Naturalnym źródłem zaburzeń elektromagnetycznych są z kolei błyskawice i rozbłyski słoneczne. Pacjenci z implantami muszą być też świadomi zagrożeń, jakie niosą ze sobą sprzęty i procedury medyczne. Przykładami „niebezpiecznych” są: sprzęt dentystyczny, stosowana w terapii walki z bólem przezskórna elektryczna stymulacja nerwów, defibrylatory, technika obrazowania metodą rezonansu magnetycznego. Dwa ostatnie stanowią szczególne zagrożenie. Przykładowo, typowo aparaty MRI (Magnetic Resonance Imaging) podczas badania wytwarzają pole magnetyczne o wartości 2 do nawet 3 T, które jest destrukcyjne dla każdego urządzenia elektronicznego (dla porównania ziemskie pole magnetyczne ma wartość 30–60 μT). W przypadku zewnętrznej defibrylacji z kolei przez klatkę piersiową i serce poszkodowanego przepuszczany jest prąd stały o napięciu nawet 1500 V!

Nie zawsze jednak źródła promieniowania są tak oczywiste i wielokrotnie dochodziło do sytuacji, w których implanty działały nieprawidłowo, mimo że pozornie wydawało się, że pacjent przebywa w otoczeniu dla niego pod tym względem bezpiecznym. Przykładem są przypadki nieuzasadnionego zadziałania rozruszników oraz kardiowerterów- defibrylatorów serca zgłaszane przez osoby, które korzystały z... basenów. Źródłem zaburzeń zakłócających pracę tych urządzeń, które w reakcji na nie rejestrowały w rzeczywistości niewystępującą nieprawidłową pracę serca i niepotrzebnie się aktywowały, okazywało się zazwyczaj wadliwe okablowanie basenu. W jednym z przypadków były to nieprawidłowo zaizolowane kable podwodnego oświetlenia.

Jak chronić implanty?

Wszechobecność zaburzeń elektromagnetycznych utrudniająca ich unikanie w połączeniu ze skutkami ich działania na implanty i faktem, że urządzeń wszczepialnych nie można usunąć bezinwazyjnie, by zastąpić w przypadku awarii nowymi, sprawia, że trzeba stosować środki zapobiegawcze. Podstawowe to ekranowanie i filtrowanie.

Ekrany zapobiegają przenikaniu zaburzeń elektromagnetycznych do wnętrza obudowy urządzenia przez ich tłumienie i odbijanie. Wykonywane są z materiałów przewodzących. W przypadku urządzeń, które zamknięte są w obudowie wykonanej z tworzywa sztucznego, powszechną praktyką jest natomiast powlekanie tej osłony ekranującą warstwą metalu. Używa się w tym celu różnych metali. Najpopularniejszymi w ekranowaniu wszczepialnych urządzeń medycznych są platyna, złoto, miedź, nikiel.

Przegląd materiałów ekranujących

Platyna jest popularnym metalem w rozrusznikach serca, a poza tym w protezach. Charakteryzuje ją duża odporność na korozję. Jest też jednym z najmniej reaktywnych metali. Cechuje ją odporność na niszczące działanie wody i kwasów. Oprócz tego platynę wyróżnia plastyczność, dzięki której łatwo się ją nakłada na elementy o skomplikowanych kształtach.

Złoto również sprawdza się w rozrusznikach serca. Charakteryzuje je wysoka odporność na korozję i duża przewodność elektryczna. Podobnie jak platyna, rzadko wywołuje reakcje alergiczne. Miedź również cechuje duża przewodność elektryczna oraz odporność na korozję. Poza tym jest miękka i ciągliwa. W razie, gdy jest wymagana większa wytrzymałość, stosuje się grubsze powłoki. Ponadto powłoki miedziane mają zdolność wygładzającą. Popularnym materiałem powłok ekranujących jest także nikiel. Cechuje go odporność na korozję i zdolność do łatwego łączenia się z innymi metalami w celu zwiększenia jego przewodności. Z drugiej strony może jednak wywoływać podrażnienia skóry.

Trudności w ekranowaniu

Ekranowanie wszczepialnych urządzeń medycznych nie jest proste. Wynika to stąd, że implanty nie mogą zostać całkowicie oddzielone od otoczenia, ponieważ zwykle muszą wchodzić w interakcje z ciałem pacjenta przez wykrywanie i przekazywanie impulsów elektrycznych. Niektóre urządzenia wszczepialne do prawidłowego działania wymagają oprócz tego możliwości kontaktu ze światem zewnętrznym – na przykład za pomocą pola magnetycznego albo sygnału elektrycznego mogą być przestrajane, tak by ich ustawienia były lepiej dopasowane do wymagań terapii, której jest poddawany pacjent. W ten sposób mogą być też konserwowane albo kalibrowane. Przykładowo niektóre implanty można ładować bezprzewodowo przez skórę, a za pomocą zewnętrznej przystawki regulowane są częstotliwość i moc impulsów neurostymulatorów używanych w leczeniu przewlekłego bólu.

Ponieważ zatem wszczepialne urządzenia medyczne muszą być zarówno dobrze chronione przed zaburzeniami z zewnątrz, jak i muszą wchodzić w interakcję ze swoim otoczeniem, w ciele i na zewnątrz, trzeba stosować filtry. Oddzielają one sygnały użyteczne od szumów.

Filtrowanie zaburzeń

Od wszczepialnych urządzeń medycznych oczekuje się jak najdłuższej pracy bez konieczności wymiany, każda taka operacja wymaga bowiem mniej lub bardziej inwazyjnego zabiegu albo ingerencji chirurgicznej. Z tym naturalnie wiąże się fizyczne i psychiczne obciążenie dla osób i tak cierpiących, spowodowane samym zabiegiem, jak i następującą po nim rekonwalescencją.

W związku z tym, poza jak najniższą awaryjnością, wymaga się długiej żywotności ich baterii – spadek jej pojemności poza dopuszczalną ze względów bezpieczeństwa pacjenta wartość, a tym bardziej jej całkowite rozładowanie, wymaga, o ile implantu nie można doładować przez skórę, usunięcia urządzenia i wszczepienia nowego. Na żywotność baterii wpływa energochłonność rozwiązań konstrukcyjnych, które zastosowano w implantach. Filtry zaburzeń elektromagnetycznych są jednym z tych komponentów, od których to zależy.

Wyróżnia się filtry aktywne i pasywne. Pierwsze, poza komponentami pasywnymi (rezystory, kondensatory), wykorzystują wzmacniacze operacyjne. Charakteryzuje je duża skuteczność filtrowania zaburzeń. Z drugiej strony wymagają zasilania. Ponadto ich górna częstotliwość odcięcia może być ograniczona. W związku z tym ten typ filtrów nie jest preferowanym w przypadku wszczepialnych urządzeń medycznych. Energochłonne jest także filtrowanie zaburzeń realizowane programowo, przez zastosowanie stosownych obliczeń na odebranym sygnale w celu oddzielenia informacji użytecznych od zakłóceń. Najefektywniejszym w tym przypadku rozwiązaniem jest więc najprostsze filtrowanie, skuteczne dla większości szumów o wysokiej częstotliwości, zrealizowane za pomocą filtrów pasywnych, przeważnie w postaci kondensatorów przepustowych.

Podsumowując, połączenie skutecznego ekranowania i filtrowania zaburzeń elektromagnetycznych pozwala konstruować wszczepialne urządzenia medyczne odporne na zakłócenia, na które mogą zostać narażone podczas użytkowania. Odpowiednia budowa ekranów i dobór filtrów EMI nie tylko zagwarantują bezpieczeństwo użytkownikom implantów, ale też pozwolą uniknąć ich zbyt częstej wymiany.

Monika Jaworowska