Appunti di Sicurezza Elettrica

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1 GianLuca DeMichelis Appunti di Sicurezza Elettrica dal Corso di Strumentazione Biomedica del professor R. Merletti Seconda Legge di Sodd Prima o poi, la peggiore combinazione possibile di circostanze è destinata a prodursi. Corollario Un sistema deve essere sempre concepito in modo da resistere alla peggiore combinazione possibile di circostanze Pagina 1

2 Effetti fisiologici della corrente elettrica Gli effetti della corrente sul corpo umano si dividono in due grossi gruppi: Eccitazione neuromuscolare: il passaggio di corrente innesca un potenziale d azione nelle cellule eccitabili del corpo. Questo può causare contrazioni muscolari, sensazioni dolorose, spasmi. Se la corrente è applicata sul cuore l eccitazione non sincrona rispetto al battito cardiaco delle reti neurali del cuore (le maggiori delle quali sono il nodo seno-atriale e il nodo atrio-ventricolare) può generare fibrillazione. Effetti indotti da corrente alternata sinusoidale attraverso il tronco per la durata di un secondo: Intensità di corrente effetti 1 ma Soglia di percezione 5-10 ma Intervallo di massima corrente tollerabile senza effetti fisiologici ma Si può lasciare la parte in tensione senza contrazione apprezzabile dei muscoli 50 ma Dolore, probabile svenimento, perdita delle forze, danno meccanico, le funzioni cardiache e respiratorie non vengono compromesse, possibile fibrillazione 100 ma - 2 A Ampio intervallo di insorgenza della fibrillazione ventricolare, il centro respiratorio non viene alterato apprezzabilmente 6 A ed oltre Contrazione sostenuta del miocardio seguita dal normale ritmo cardiaco, paralisi temporanea dell attività respiratoria, ustioni per effetto Joule se la densità di corrente è elevata (Kouwenhoven e coll. 1957; Daltziel, 1959) L innesco del potenziale d azione sulle cellule eccitabili avviene per correnti che vanno dalla continua sino a qualche decina di khz. Oltre questa frequenza la corrente passa senza causare uno scambio di ioni attraverso la membrana delle cellule, il passaggio di corrente non è quindi avvertito direttamente. Effetto termico: è l effetto Joule, presente a tutte le frequenze ma utilizzato clinicamente con correnti intense e frequenze superiori ai 300 khz (elettrobisturi). In pratica il passaggio di corrente scalda il conduttore. Osserviamo che nei pressi di un elettrodo piccolo la densità di corrente sarà grande, e quindi sarà grande la dissipazione termica; al contrario su un elettrodo grande, dove la densità di corrente è bassa, l effetto termico sarà trascurabile. Pagina 2

3 Dispositivi di protezione per gli impianti elettrici Fusibile: è un apparecchio inserito in un circuito tra la linea di alimentazione ed il carico; è costituito essenzialmente da un tratto di circuito di materiale e sezione tali da far passare facilmente l intensità di corrente normale; viceversa per intensità superiori l effetto Joule produce la fusione del circuito e quindi l interruzione dello stesso. Interruttore magneto-termico: è un dispositivo che contiene, al suo interno due dispositivi di protezione diversi e complementari: l interruttore magnetico, costituito da un relè, interviene rapidamente (tempi nell ordine dei centesimi di secondo) nel momento in cui si crea un cortocircuito diretto, e l interruttore termico che interviene in tempi maggiori (qualche secondo) per valori di corrente superiori ad una data soglia. Pagina 3

4 Dispositivi di protezione delle persone Quinto Corollario alla Legge di Murphy I cretini sono sempre più ingegnosi delle precauzioni che si prendono per impedirgli di nuocere. Negli impianti elettrici Impianto di terra: l insieme dei conduttori che raggiungono le prese di terra disposte nell edificio e la loro connessione con il terreno tramite dispersori. L impianto di terra richiede assolutamente verifiche periodiche della sua efficienza. Deve essere tenuto un registro di tali verifiche. In ambito ospedaliero le norme CEI impongono che la massima tensione in caso di contatto esterno non superi i 24 Volt. Osserviamo che questa limitazione non è assolutamente sufficiente a garantire la sicurezza in caso di elettrodi applicati al cuore o su grossi vasi. Interruttore differenziale: è un dispositivo che sente la corrente su entrambi i conduttori; se la differenza tra queste due correnti supera una certa soglia (tipicamente 30 ma), allora apre il circuito. La protezione è assoluta nel caso di contatto indiretto e se c è un buon impianto di terra; non è efficace nella prevenzione dei microshock. Pagina 4

5 Nodo equipotenziale: Esso riduce il rischio di microshock. Nella figura seguente analizziamo il comportamento della rete nel caso di un guasto: c è un avaria in un apparecchio di potenza, che scarica a terra una grossa corrente (es. 5A). La corrente fluisce nell impianto di terra, attraversando una unità di terapia intensiva. Qui si forma un partitore, con due resistenze in parallelo: apparecchio A + paziente + apparecchio B, e resistenza del tratto di impianto tra apparecchio A e apparecchio B. Il problema evidenziato è che le prese di terra dei due apparecchi non sono allo stesso potenziale. Pagina 5

6 Trasformatore d isolamento: nelle aree ad alto rischio occorre garantire, oltre alla presenza del nodo equipotenziale, altre due condizioni: 1) La protezione contro i guasti verso terra degli strumenti elettronici presenti nel locale, e: 2) La continuità della fornitura di energia alle apparecchiature dalle quali dipende la vita del paziente. Osserviamo che l interruttore differenziale viola la seconda condizione. Solo il trasformatore d isolamento consente il soddisfacimento di entrambe. Esso riduce il rischio di macroshock per contatti diretti o indiretti con la linea isolata. La corrente di dispersione I a si chiude a terra, risalendo attraverso R t ; la corrente I b, invece, non si può chiudere, a meno che vi siano capacità parassite C p che facciano passare corrente I c dal primario al secondario. Si osservi inoltre che il trasformatore d isolamento non riduce di per sé il rischio di microshock Pagina 6

7 Esempio di impianto in sala di terapia intensiva: dal funzionamento delle apparecchiature dipende la vita dei pazienti. Occorre un trasformatore d isolamento, con relativo Monitor, e il nodo equipotenziale. Pagina 7

8 Monitor d isolamento: il trasformatore d isolamento deve sempre disporre di un monitor d isolamento che attiva un allarme ottico e acustico in caso di perdita di isolamento della linea. Alimentazione Secondo le norme CEI 64-4 le alimentazioni autonome sono così classificate: Alimentazione di sicurezza tempo di intervento: 0,5 s autonomia : almeno 3 ore funziona con accumulatori alimenta scialitica, eventualmente altro Alimentazione di emergenza tempo di intervento < 15 s tensione e frequenza pari a quelle di rete funziona con generatori diesel alimenta sempre sale operatorie, di rianimazione e terapia intensiva Pagina 8

9 Negli strumenti Norme generali per la sicurezza Collegamento a terra del telaio e di tutte le parti metalliche che possono essere collegate a terra senza alterazioni funzionali. Utilizzo di fusibili e di interruttori di rete doppi (su entrambi i conduttori), di trasformatori di alimentazione di buona qualità Isolamento delle parti applicate al paziente e non collegabili a terra Manutenzione e uso corretti degli strumenti Isolamento e messa a terra Il criterio principale per prevenire i rischi dei elettrocuzione accidentale consiste nella messa a terra di tutte le parti metalliche di uno strumento che possono venire a contatto con il personale o con il paziente: Conduttore di protezione con resistenza inferiore a 0,1 Ω (al nodo equipotenziale) Isolamento ottico o elettromagnetico del circuito paziente - a questo proposito si vedano gli schemi nell Appendice Doppio isolamento di sicurezza Strumentazione di Sala Operatoria Apparecchi di monitoraggio non invasivi (ECG, EEG, termometri, ecc..) Apparecchi di monitoraggio invasivi (Misuratori di pressione con cateteri, cateteri per iniezione di mezzi radio-opachi o farmaci, elettrodi endocavitari di stimolazione cardiaca o di prelievo di ECG, ecc..) Defibrillatori Elettrobisturi Letti con motori elettrici Letti metallici collegati a terra L uso simultaneo di più apparecchiature sullo stesso paziente o il contatto, stabilito da un operatore, tra un apparecchio e il paziente, possono dare origine a situazioni di rischio elettrico. Pagina 9

10 Rischi derivanti dall impiego dell elettrobisturi Ustioni, a causa della scarsa pulizia della piastra Ustioni in corrispondenza di elettrodi ECG o di punti di contatto del paziente con parti metalliche messe a terra Formazione di scintille con pericolo di esplosioni, nel caso che lo strumento venga attivato prima di stabilire il contatto con il tessuto (prevenzione: uso di interruttori antideflagranti) Nel caso di elettrobisturi con circuito di uscita isolato, c è il rischio di ustioni dipendenti dalla capacità parassita della piastra verso massa. Rischi nell utilizzo di defibrillatori L uso del defibrillatore su un paziente cui siano collegate apparecchiature di monitoraggio o pace-maker, può danneggiare tali strumenti se essi non sono appositamente protetti. In appendice, riportiamo il simbolo delle apparecchiature CF protette. Se le impugnature del defibrillatore non sono perfettamente isolate, c è il rischio di ustioni o fibrillazione per l operatore. Rischio di ustioni per il paziente ( elettrodi sporchi, presenza di disinfettanti infiammabili sulla cute..) Rischio di esplosioni, nel caso fossero presenti gas infiammabili (etere..) Rischi nell utilizzo di elettrostimolatori Rischio di fibrillazione cardiaca se è interessata la zona toracica Nel caso di stimolatori multicanale, c è il rischio di fibrillazione o elettrocuzione, a causa di scarso isolamento tra i canali. Pagina 10

11 Appendice terminologia Correnti di dispersione I 1 = corrente di dispersione verso terra I 2 = corrente di dispersione sull involucro I 3 = corrente di dispersione sul paziente Classificazione degli strumenti elettromedicali tipologia corrente verso terra corrente sull involucro corrente sul paziente tipo H 750 µa tipo B 500 µa 100 µa 100 µa tipo BF 500 µa 100 µa 100 µa tipo CF 500 µa 10 µa 10 µa Pagina 11

12 Simbolo sulle apparecchiature di tipo H Simbolo sulle apparecchiature di tipo B Simbolo sulle apparecchiature di tipo BF Simbolo sulle apparecchiature di tipo CF Pagina 12

13 Simbolo sulle apparecchiature di tipo CF protette Macroshock: si verifica quando un uomo ha un contatto con una parte in tensione, chiudendo il circuito verso terra o in altro modo. Possiamo distinguere i seguenti casi: Contatto diretto = contatto con una parte normalmente in tensione (es. metto un chiodo nella presa di corrente). La presenza di un interruttore differenziale protegge parzialmente l operatore: l interruttore differenziale limita la durata (e non l intensità) della corrente che attraversa il soggetto in contatto diretto. La protezione nel caso di contatto diretto con un polo della rete è assicurata solo dalla presenza del trasformatore d isolamento. Osserviamo che se l operatore tocca i due poli della rete non può essere protetto in nessun modo! Contatto indiretto = contatto con una parte accidentalmente in tensione (es. c è un guasto nella lavatrice, e l involucro va in tensione). In questo caso la prevenzione più efficace consiste nella presenza contemporanea di interruttore differenziale e impianto di terra efficiente. Il contatto indiretto è spesso dovuto alla mancanza di manutenzione preventiva, e si verifica soprattutto quando il telaio metallico dello strumento assume un potenziale diverso da quello di terra. Microshock: distinguiamo due casi di rischio: Un apparecchio collegato al cuore o a grossi vasi, vi fa affluire una corrente di dispersione che si chiude a terra attraverso altri strumenti o contatti diretti tra paziente e oggetti a terra Altri apparecchi, anche collegati sulla cute tramite elettrodi, fanno affluire una corrente che si chiude a terra attraverso l elettrodo o il catetere interno. Il microshock è estremamente pericoloso, perché è molto difficile identificare le situazioni di rischio, essendo coinvolte correnti molto basse (per la fibrillazione bastano 50 µa), al di sotto della soglia di percezione (circa 1 ma sulla cute). Molte configurazioni di rischio possono essere evitate utilizzando solo strumenti con uscita isolata appartenenti alla classe CF. Pagina 13

14 Isolamento elettromagnetico: riduce fortemente il rischio di microshock; all interno dello strumento c è una barriera d isolamento, in modo che gli elettrodi applicati al paziente siano completamente flottanti. I dati vengono comunicati attraverso un altro accoppiamento elettromagnetico. Isolamento ottico: l alimentazione della parte applicata al paziente è flottante, ma i dati tornano attraverso un led ed un sensore di luce. Rispetto all isolamento elettromagnetico, questo tipo di trasmissione offre una maggiore banda, ed anche una minor complessità realizzativa. Pagina 14

15 Sommario EFFETTI FISIOLOGICI DELLA CORRENTE ELETTRICA...2 GLI EFFETTI DELLA CORRENTE SUL CORPO UMANO SI DIVIDONO IN DUE GROSSI GRUPPI:...2 Eccitazione neuromuscolare:...2 Effetto termico:...2 DISPOSITIVI DI PROTEZIONE PER GLI IMPIANTI ELETTRICI...3 Fusibile:...3 Interruttore magneto-termico:...3 DISPOSITIVI DI PROTEZIONE DELLE PERSONE...4 NEGLI IMPIANTI ELETTRICI...4 Impianto di terra:...4 Interruttore differenziale:...4 Nodo equipotenziale:...5 Trasformatore d isolamento:...6 Monitor d isolamento:...8 Alimentazione...8 NEGLI STRUMENTI...9 Norme generali per la sicurezza...9 Isolamento e messa a terra...9 Strumentazione di Sala Operatoria...9 Rischi derivanti dall impiego dell elettrobisturi...10 Rischi nell utilizzo di defibrillatori...10 Rischi nell utilizzo di elettrostimolatori...10 APPENDICE...11 TERMINOLOGIA...11 Macroshock:...13 Microshock:...13 Isolamento elettromagnetico:...14 Isolamento ottico:...14 SOMMARIO...15 Pagina 15