臨床工学技士問題表示
臨床工学技士国家試験
解説
漏れ電流測定用器具(MD)は、JIS T 0601-1(IEC 60601-1)で規定された人体等価の周波数特性を模擬する回路で、R1=10 kΩ と C1=0.015 µF で約1 kHzの遮断周波数をもつ低域通過フィルタを形成し、R2=1 kΩ が人体抵抗を模擬する。電圧計はR2両端の電圧を測定し、漏れ電流は I=V/R2 で換算されるため 1 V → 1 mA となる。1 kHzを超える周波数成分は人体の感受性が低下するため、標準では評価電流を周波数 f に応じて $I_{\text{eval}}=I_{\text{meas}}\times\frac{1\,\text{kHz}}{f}$ として低減換算する。これらより、設問では 2・3・4 が正しい。
選択肢別解説
誤り。JIS T 0601-1のMDで用いる電圧計は入力抵抗が少なくとも約 1 MΩ(入力容量 150 pF 以下)と規定される。100 kΩでは規定より小さく、回路への負荷が大きすぎる。
正しい。MDでは $R_1=10\,\text{k}\Omega$、$C_1=0.015\,\mu\text{F}$ とされ、遮断周波数は $f_c=\frac{1}{2\pi R_1 C_1}\approx\frac{1}{2\pi\times10^4\times1.5\times10^{-8}}\approx1.06\,\text{kHz}$。よって約1 kHzの低域通過フィルタを構成している。
正しい。高周波(1 kHz超)の評価は周波数に反比例で低減換算する規定で、$I_{\text{eval}}=I_{\text{meas}}\times\frac{1\,\text{kHz}}{f}$。よって $f=10\,\text{kHz}$、$I_{\text{meas}}=1\,\text{mA}$ なら $1\times\frac{1}{10}=0.1\,\text{mA}$ と評価する。
正しい。R2は人体抵抗を模擬する $1\,\text{k}\Omega$ で、電圧計が測るR2両端の電圧 V から漏れ電流は $I=\frac{V}{R_2}$。したがって $V=1\,\text{V}$ なら $I=\frac{1}{1000}=1\,\text{mA}$。
誤り。R2は $1\,\text{k}\Omega$ と規定されており、10 kΩではない。R2は人体抵抗を模擬する要素で、電圧—電流換算の基準となる。
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解説
測定用器具MDは、医用電気機器の漏れ電流測定に用いる規定の測定ネットワークで、人体(特に心臓に電極が接触した場合)の周波数特性を模擬する。回路は、入力側に人体抵抗を模擬するR2(規格で1kΩ)、測定端子側に直列のR1(10kΩ)と、測定端子に並列のC1(0.015μF)および電圧測定器から構成される。R1とC1はローパス特性を与え、カットオフ周波数はおおよそ $f_c = \frac{1}{2\pi R_1 C_1} \approx \frac{1}{2\pi\times 10\,\text{k}\Omega \times 0.015\,\mu\text{F}} \approx 1.06\,\text{kHz}$ となる。電圧測定器は、測定回路への負荷影響を小さくするため高入力抵抗(1MΩ以上)かつ低入力容量(150pF以下)が要求される。これらより、選択肢1・2・5が正しく、3・4は不適切である。
選択肢別解説
正しい。R1(10kΩ)を介して測定点に到達し、その測定点にC1(0.015μF)が接地側へ並列に接続されているため、R1–C1で低域通過(ローパス)特性を形成する。電圧測定器はC1と並列に接続され、基本的にこのRCの重み付けで測定される。
正しい。R2は人体(特に心臓直接通電条件)の代表抵抗を模擬する素子で、規格では1kΩ(許容差±1%)が規定されている。
誤り。R2は10kΩではなく、規格で1kΩ(±1%)が規定値である。
誤り。電圧測定器の入力インピーダンスは規格で1MΩ以上とされる。10kΩ以上という条件は不十分で、測定回路に過大な負荷を与えてしまう。
正しい。電圧測定器の入力容量は150pF以下であることが規格で要求され、周波数特性への影響を小さくする。
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解説
JIS T 0601-1(IEC 60601-1)に準拠した漏れ電流測定では、人体等価の測定用器具(MD)に直列・並列要素を備えた測定ネットワークを用い、その両端電圧を電圧計で測定して電流を評価する。電圧計はMDを負荷して測定誤差を生じさせないことが重要で、規定として指示誤差は±5%以内、入力抵抗は1 MΩ以上、入力容量は150 pF以下が求められる。出力抵抗に関する規定はなく、周波数上限も10 MHzを要求していない(一般に必要とされる測定帯域は医用漏れ電流評価に十分な範囲に限られる)。
選択肢別解説
正しい。漏れ電流測定で用いる電圧計の指示誤差は規格でおおむね±5%以内が要求される。測定ネットワーク(MD)に対して十分な精度を確保し、許容差内で漏れ電流を評価できることが目的である。
正しい。入力容量が大きいと高周波成分でMDを過度に負荷し、指示値が低下する(見かけ上の電流が変化する)ため、入力容量は150 pF以下に制限される。
正しい。入力抵抗はMDへの並列負荷となるため高く保つ必要があり、1 MΩ以上が求められる。これにより測定ネットワークの定める周波数特性・計算関係を乱さない。
誤り。規格は電圧計の出力抵抗(出力端子側の抵抗)を要求していない。求められるのはMDに接続される計器としての入力特性(精度・入力抵抗・入力容量)である。
誤り。漏れ電流測定で電圧計の測定周波数上限として10 MHzは要求されていない。医用電気機器の漏れ電流評価に必要な帯域で十分であり、10 MHzまでの広帯域性能は規定外である。
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解説
MD(Measuring Device)はJIS T 0601-1で規定された漏れ電流測定用の模擬人体回路で、図のR2(1 kΩ)を流れる電流を電圧として表示する。電圧計の指示Vと漏れ電流Iの関係は $I=\frac{V}{R_2}$ で与えられ、R2=1 kΩのため「1 mV⇔1 µA」の対応となる。したがって表示が50 mVなら $I=\frac{50\ \mathrm{mV}}{1\ \mathrm{k}\Omega}=50\ \mu\mathrm{A}$ である。R1とC1は周波数特性を規定する構成要素だが、本設問はVとR2による換算のみを問うている。
選択肢別解説
誤り。漏れ電流は $I=\frac{50\ \mathrm{mV}}{1\ \mathrm{k}\Omega}=50\ \mu\mathrm{A}$。0.5 µAは計算値より2桁小さい。
誤り。計算すると $I=50\ \mu\mathrm{A}$。5 µAは1/10の値である。
正しい。MDの定義より $I=\frac{V}{R_2}$、ここで $V=50\ \mathrm{mV}$、$R_2=1\ \mathrm{k}\Omega$ より $I=50\ \mu\mathrm{A}$。
誤り。0.5 mAは500 µAに相当し、計算値50 µAより10倍大きい。
誤り。5 mAは5,000 µAに相当し、計算値50 µAより2桁以上大きい。
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解説
JIS T 0601-1で規定される漏れ電流測定用器具(MD)は、人体インピーダンスを模擬する1 kΩ抵抗を含み、電圧計の読みを1 kΩで割ることで低周波(≲1 kHz)での等価電流値を得る。よって電圧計0.1 Vは低周波等価で $I_{LF}=\frac{0.1\ \text{V}}{1\ \text{k}\Omega}=0.1\ \text{mA}$ に相当する。またMDは約1 kHzを境に高周波ほど感度が周波数に反比例して低下する周波数重み付けを持つため、実電流は $I=I_{LF}\times\frac{f}{1\ \text{kHz}}$ で評価する。測定周波数100 kHzでは $\frac{100\ \text{kHz}}{1\ \text{kHz}}=100$ 倍となり、$I=0.1\ \text{mA}\times100=10\ \text{mA}$ が実際に流れたおよその電流となる。したがって正答は10 mA。
選択肢別解説
0.01 mAは読み取り0.1 Vを1 kΩで割った0.1 mAよりさらに1/10に小さく、MDの高周波重み付け(感度低下)の方向性とも逆であるため不適切。
0.1 mAは0.1 Vを1 kΩで割った低周波等価電流値であり、高周波(100 kHz)での感度低下(1 kHz基準で周波数に反比例)を補正していないため不正解。
1 mAは低周波等価0.1 mAの10倍だが、100 kHzは1 kHzの100倍であり、感度低下の補正は100倍が必要。よって不足で不正解。
正解。$I_{LF}=\frac{0.1\ \text{V}}{1\ \text{k}\Omega}=0.1\ \text{mA}$、MDの周波数重み付けより $I=0.1\ \text{mA}\times\frac{100\ \text{kHz}}{1\ \text{kHz}}=10\ \text{mA}$。
100 mAは低周波等価0.1 mAの1000倍に相当し、MDの周波数重み付け(1 kHz基準で周波数に比例して実電流が大きくなる補正)からも過大で、計算結果と一致しない。
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解説
JIS T 0601-1(IEC 60601-1)で規定される漏れ電流測定用器具(MD)は、人体の感電閾値が周波数上昇とともに高くなる特性を模擬するため、抵抗とコンデンサで低域通過(周波数重み付け)特性を持つ。コンデンサは周波数が高いほどリアクタンス $X_C=\frac{1}{2\pi f C}$ が小さくなり、高周波成分をバイパスさせて測定値への寄与を減らす。これにより高周波漏れ電流ほど影響度(危険度)を小さく評価する設計意図が実現される。従って、コンデンサの主たる役割は『人体の感電特性を考慮した低域通過フィルタの構成要素』である。
選択肢別解説
正しい。MDのコンデンサは抵抗とともに低域通過特性を形成し、周波数が高い漏れ電流ほど測定値への寄与を小さくする。これは人体の電撃閾値が高周波で上昇する特性を模擬するためである。
誤り。ハム雑音(50/60 Hz)は低周波であり、低域通過フィルタでは通してしまう。ハム除去の目的なら狭帯域除去(ノッチ)など別のフィルタが必要で、MDのコンデンサの役割ではない。
誤り。MDは測定ネットワークであり、機器からの漏れ電流そのものを制限する目的はない。コンデンサは周波数重み付けのために用いられている。
誤り。実効値は真の実効値型計器で評価すべきもので、コンデンサでパルスを平滑化して平均化することが目的ではない。MDのコンデンサは周波数重み付けを与えるための要素である。
誤り。読み取りの安定化は主として計測器の応答特性に依存し、MDのコンデンサの主目的ではない。コンデンサの主たる役割は周波数重み付け(低域通過特性)の付与である。
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解説
医療機器の電気的安全測定では、規格(JIS T 0601-1[IEC 60601-1]等)に基づく測定方法・性能要件に従う。保護接地線抵抗は規定の大電流(代表的には25 Aまたは定格電流の1.5倍)を通電して測定し、許容値はおおむね0.1 $\Omega$ 以下である。クランプメータによる電流測定は往復電流が相殺されないよう電源導線の片側1本のみを挟む。漏れ電流測定用の指示計は実効値表示かつ精度5%以内などの性能が求められる。等電位接地(EPR)では、人体代表抵抗1 k$\Omega$と心室細動誘発電流10 $\mu$Aを用いて許容電位差を10 mV以下に設定する(10 $\mu$A × 1 k$\Omega$ = 10 mV)。CF形装着部の患者漏れ電流Iの測定は、各患者リードを個別に、さらに全体として測るが、全リードを1点にまとめる手順は患者漏れ電流IIで用いる。
選択肢別解説
誤り。アナログテスタの導通・抵抗レンジは微小電流での簡易確認であり、保護接地線抵抗の規格測定にはならない。保護接地線抵抗は規定の大電流(例:25 Aまたは定格の1.5倍)を5~10秒程度通電して測定し、許容値は概ね0.1 $\Omega$ 以下とされる。したがってテスタ表示をそのまま接地線抵抗値とみなすことはできない。
誤り。クランプメータは導体を流れる電流による磁界を検出するため、往復の電流が打ち消し合う2本(行きと戻り)を同時に挟むと指示はゼロ付近になる。消費電流を測るときは電源導線の片側1本のみを挟んで測定する。
誤り。漏れ電流測定に用いる指示計(電圧計・メータ)は、実効値表示・適切な周波数特性に加え、精度は5%以内が求められる。10%以内では規格要求を満たさない。
正しい。等電位接地(EPR)では、患者に流れ得る電流を心室細動誘発閾値の10 $\mu$A以下に抑える設計とし、人体代表抵抗1 k$\Omega$を掛けた電位差は10 mV以下となる(10 $\mu$A × 1 k$\Omega$ = 10 mV)。よって等電位接地端子と測定点の間の電圧は10 mV以下が基準である。
誤り。CF形装着部の患者漏れ電流Iの測定では、患者リードを1本ずつ、さらに全リードをまとめた状態の2通りで測定する。各患者リードを1点に接続して測定する方法は患者漏れ電流IIの手順であり、記述は取り違えている。
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解説
JIS T 0601-1(IEC 60601-1に整合)では、漏れ電流の測定に用いる測定用器具(MD: measuring device)に、人が高周波成分に対して感度が低くなる周波数特性を模擬する重み付け回路が組み込まれている。これは概ね1 kHz付近を境に高域成分を減衰させる低域通過(ローパス)特性であり、漏れ電流の測定値が人体への影響度に見合うように周波数重み付けを行うことが目的である。したがって、MDを構成するフィルタはローパスフィルタである。
選択肢別解説
ノッチフィルタは特定の狭い周波数帯だけを除去するフィルタであり、人体の高周波感度低下を模擬するための周波数重み付けには適さない。MDの目的は広帯域の高域成分を減衰させることであり、ノッチフィルタは用いない。
正しい。MDには人体の周波数感受性を模擬する低域通過(ローパス)特性が組み込まれており、概ね1 kHz付近より高い周波数成分を減衰させる。これにより高周波成分を過大評価せず、人体影響に見合った漏れ電流測定が可能となる。
ハイパスフィルタは低域を減衰させ高域を通過させるため、人体の高周波感度低下を模擬する目的に反する。MDには採用されない。
バンドパスフィルタは特定帯域のみを通過させる特性であり、MDが必要とする「広帯域な高域減衰(低域通過)」という重み付け目的に一致しないため用いない。
バンドエリミネーション(ノッチ)フィルタは特定帯域のみを除去する特性で、人体の周波数依存性を広帯域に模擬するMDの重み付け目的に合致しないため採用されない。
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解説
$医用電気機器の安全点検では、保護接地の連続性(アースピンと金属外装の低抵抗接続)と漏れ電流の最大値確認が重要である。保護接地線の抵抗はJIS/IECに準拠して0.2\Omega以下が要求され、適切な試験電流で測る。漏れ電流は電源極性(L/N)を反転して双方で測定し、大きい方を当該機器の値とする。絶縁抵抗は1\mathrm{k}\Omegaのような低い値では外装漏れ電流が大電流(例: 100\mathrm{V} / 1\mathrm{k}\Omega = 100\mathrm{mA})となり危険で、一般に数M\Omega以上(例: 10\mathrm{M}\Omega)を求める。クランプ式電流計で消費電流を測る際は電源コード全体でなく単一導体(活線または中性線)を挟む。漏れ電流測定の人体模擬抵抗は規格上1\mathrm{k}\Omegaであり、10\mathrm{k}\Omegaではない。$
選択肢別解説
$誤り。絶縁抵抗が1\mathrm{k}\Omegaでは、商用100\mathrm{V}に対し外装漏れ電流は100\mathrm{V} / 1\mathrm{k}\Omega = 100\mathrm{mA}と極めて大きく、許容値(例: 外装漏れ電流は正常時約0.1\mathrm{mA}、単一故障時約0.5\mathrm{mA}程度)を大幅に超える。安全のため絶縁抵抗は一般に数M\Omega以上(例: 10\mathrm{M}\Omega)を要求する。$
誤り。クランプ式電流計で消費電流を測るとき、電源コード全体(活線と中性線の両方)を一緒に挟むと互いの磁界が打ち消し合い、指示はほぼゼロになる。活線または中性線の片側導体のみを検出部に挟んで測定する。
$正しい。3Pプラグ機器ではアースピン(保護接地)と機器金属外装間の抵抗は0.2\Omega以下が求められる。これは漏電時に迅速に保護装置を動作させるための低インピーダンス経路を確保する基準で、適切な試験電流(例: 高電流法)で確認する。$
正しい。漏れ電流測定は電源極性(L/N)を反転して双方で実施し、内部のYコンデンサ配置や回路構成の影響で生じる差を考慮して、より大きい測定値を機器の漏れ電流値として採用する。
$誤り。漏れ電流測定に用いる人体模擬回路(測定器のMD)は1\mathrm{k}\Omegaを基本とする。10\mathrm{k}\Omegaでは規格の想定より過小電流となり不適切である。$
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解説
図のMD(漏れ電流測定用ネットワーク)では、R2が人体模擬抵抗(標準で1 kΩ)で、電圧計はR2両端の電圧を指示する。したがって漏れ電流はオームの法則で $I=\frac{V}{R_2}$ と求められる。表示が150 mVなので、$I=\frac{150\,\mathrm{mV}}{1\,\mathrm{k\Omega}}=150\,\mu\mathrm{A}$。すなわち1 kΩでは1 μAあたり1 mVの関係となり、150 mVは150 μAに相当する。
選択肢別解説
15 μAは不正解。1 kΩでは1 μAあたり1 mVなので、15 μAに相当するのは15 mVの指示である。与えられた指示150 mVでは150 μAとなる。
75 μAは不正解。150 mVを1 kΩで割ると $I=150\,\mathrm{mV}/1\,\mathrm{k\Omega}=150\,\mu\mathrm{A}$。75 μAは75 mVのときに相当する。
正解。電圧計はR2(1 kΩ)両端の電圧を指示するため、$I=\frac{V}{R_2}=\frac{150\,\mathrm{mV}}{1\,\mathrm{k\Omega}}=150\,\mu\mathrm{A}$。
300 μAは不正解。300 μAに相当するのは300 mVの指示であり、与えられた指示150 mVでは半分の150 μAである。
500 μAは不正解。500 μAに相当するのは500 mVの指示であり、150 mVからは得られない。
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解説
図はクラスIのME機器の外装と保護接地(壁面接地端子)との間に測定器(MD)を介在させて流れる電流を測る構成であり、これは接触電流(外装漏れ電流)の測定を示す。JIS T 0601-1(IEC 60601-1)では接触電流の許容値は、正常状態で $100 \\mu\\text{A}$、単一故障状態(保護接地線断など)で $500 \\mu\\text{A}$ と規定される。設問は正常状態の許容値を問うため、正答は $100 \\mu\\text{A}$ である。
選択肢別解説
10 \\muA は正常状態での許容限度(規格で規定された上限)ではない。接触電流の正常状態の許容値は $100 \\mu\\text{A}$。
50 \\muA は規格上の許容限度ではない。接触電流(外装漏れ電流)の正常状態の許容値は $100 \\mu\\text{A}$。
正しい。接触電流(外装漏れ電流)の正常状態での許容値は JIS T 0601-1(IEC 60601-1)により $100 \\mu\\text{A}$。図は外装と保護接地間に測定器を入れて測る接触電流の回路である。
200 \\muA は正常状態の許容値を超える。正常状態の許容値は $100 \\mu\\text{A}$。
$500 \\muA は単一故障状態(保護接地線断線等)における接触電流の許容値であり、正常状態の値ではない。$
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