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探讨医疗设备的电磁兼容性

我爱方案网| 医疗设备,电磁兼容性| 2012-03-12
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中心议题:
    *  电磁兼容传导传输方式
    *  电磁兼容辐射传输方式
解决方案:
    *  设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值
    *  器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度

电 磁干扰传播途径一般也分为两种:即传导耦合方式和辐射耦合方式。任何电磁干扰的发生都必然存在干扰能量的传输和传输途径(或传输通道)。通常认为电磁干扰 传输有两种方式:一种是传导传输方式;另一种是辐射传输方式。因此从被干扰的敏感器来看,干扰耦合可分为传导耦合和辐射耦合两大类。传导传输必须在干扰源 和敏感器之间有完整的电路连接,干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器,发生干扰现象。这个传输电路可包括导线,设备的导电构件、供电电源、公共阻抗、接 地平板、电阻、电感、电容和互感元件等。

辐射传输是通过介质以电磁波的形式传播,干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。常见的辐射耦合由三种:

1. 甲天线发射的电磁波被乙天线意外接受,称为天线对天线耦合;

2. 空间电磁场经导线感应而耦合,称为场对线的耦合;

3.两根平行导线之间的高频信号感应,称为线对线的感应耦合。在实际工程中,两个设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的耦合。正因为多种途径的耦合同时存在,反复交叉耦合,共同产生干扰,才使电磁干扰变得难以控制。

医 疗设备在诊断和治疗方面所起的重要作用,使得电磁干扰对其的影响直接关系到患者的人身安全,目前医疗设备小型、高灵敏度和智能化的实现,使它们更易受电磁 干扰的影响,特别是那些抗干拢能力差的(即电磁兼容性差的诊断仪器,为医生提供了失真的数据、波形及图像等信息,使得医生不能做出正确诊断,当然会影响有 效的治疗,甚至危及人的生命,国际有许多这方面的报道。

经美国FDA认定的疑为因医疗器械受电磁干拢引发的事故;植人心脏起搏器的患者在 乘坐救护车急救过程中,因救护人员使用双向无线通讯设备而导致起博失效。病人监护仪受电磁干扰影响,致使病人因检测不出心律不齐而死亡。设备的CAT显示 器上过度干扰,医务人员难以判断心率,致使病人无法复苏。

移动电话对婴儿暖箱、输液泵、人工透析器、心脏起博器、心脏除颤装置产生的干扰,因此美国的医院明令禁止在有这类设备的病房使用手机新生儿呼吸监护仪(新生儿呼吸停止而专门设计的报警装置)受调频电台FM发射的干扰调制波的影响,扰乱了呼吸节律导致报警失灵。

上 面的例子仅谈了外界的电磁干扰对医用设备的影响,殊不知现代医疗中使用了各种高频、射频发射机高敏感性电气,电子元件和部件以及使用射频能量做为诊断或治 疗的设备或系统(MAI),其工作时可能作为一EMI干扰源通过不同的藕合途径向周围传播出不同频率范围和电磁场强度的有用或无用的电磁波,无线电广播通 讯业务和周围其它设备的工作,且它们在共同的电磁环境中,还可能受到周围电力、电子设备,以及医疗设备之间干扰。所以许多医用设备既是干扰源又是敏感设备 也就是说它存在干扰和被干扰两重性,如此以来一个间题值得我们思考,在此复杂的电磁环境下,医疗设备如何达到一个既不受或尽量减少受到其它各种电磁干扰的 影响,又能尽量减少对其它设备或人体的电磁干扰,从而达到一种平衡,电磁兼性就是这样的一个概念。

电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在 其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所 在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。

为实现在同 一电磁环境中的医疗设备或系统在自身工作正常的情况下,又能达到不妨碍正常的无线电通讯工作,又不干扰周围设备的正常工作,就须建立一种规则,既要对设备 或系统的抗干扰能力作出规定,即设备的抗干扰度水平不能太低,将发射电平和抗干扰度电平限制在规定的发射限值和规定的抗扰度限值内,设备就达到了电磁兼容 的目的。任何有源的医疗电子设备都会向外辐射电磁场,只不过辐射磁场强大小、频率不同,场强愈强对外干扰愈强。

发射值与抗扰度限值的间隔愈大,则电磁兼容度就愈大,设备的电磁兼容性愈高。所以限制医疗设备的对外发射电平,提高其对电磁环境的抗扰度能力,两者兼顾,才能达到设备与环境的互相协调。

随 着医疗设备的电磁兼容问题日益突显,国际上许多国家从法规上采取了措施对医疗设备产品的电磁兼容性进行控制,我国政府也非常重视这个问题,已于2005年 4月1日,由国家食品药品监督管理局批准发了:"Y Y05 05-2005医用电气设备电磁兼容性要求和试验"行业标准,经过两年执行过渡期,已于2007年4月1日起正式执行,这就需要我们在医疗实践中贯彻这个 行业标准,努力提高医疗设备的电磁兼容性,提升设备的抗干扰能力,将潜在的电磁干扰风险降到最低。

理论和实践的研究表明,不管复杂系统还 是简单装置,任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件:首先应该具有干扰源;其次有传播干扰能量的途径和通道;第三还必须有被干扰对象的响应。在电磁 兼容性理论中把被干扰对象统称为敏感设备(或敏感器)。因此干扰源、干扰传播途径(或传输通道)和敏感设备称为电磁干扰三要素。

对于医用 设备和系统而言,既要求它具有不影响无线电广播、电视、无线电通讯等业务或不影响其它设备和系统的基本性能,又要求它对电磁干扰有一定的抗扰度,它的基本 性能不受电磁干扰的影响,所谓抗扰度是指装置设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力,这是表明设备或系统面对电磁干扰不降低性能的一种能力,抗扰度 越高,表明它越能承受外界的电磁干扰。

电磁骚扰源可分为自然骚扰源和人为骚扰源,自然骚扰源包括地球上各处雷电产生的天电噪声,太阳黑子爆炸和活动产生的噪声等,骚扰源由电器或其它用电装置产生电磁骚扰,本篇所涉及的多为人为骚扰。
 

提高敏感设备的抗扰度是实现电磁兼容的有效手段,医疗设备的抗扰度分为7类:

(1) 静电放电、(2)射频辐射、(3)快速舜变脉冲群、(4)浪涌、(5)射频场感应的传导、(6)工频磁场、(7)电压暂降短时中断和电压变化抗扰度,提高 这7个方面的抗扰度是提高电磁兼容性的好办法解决电磁兼容问题只需从以上3个要求来着手,控制干扰源的电磁辐射,抑制电磁干扰的传播途径,增加敏感设备的 抗干扰能力,3个要素中只要缺少一个要素,电磁干扰就无法实现。

作为一个医用设备的用户,我们更多的是考虑系统间的电磁兼容性的问题,系统间的兼容性技术也是通过屏蔽,接地和滤波等技术实现,只不过实施方法不同。

屏蔽的愿意是指遮蔽、阻挡的意思。在不同的地方,有不同的意义。屏蔽还指隔离。如:屏蔽服,屏蔽保护膜等等。其作用是防止静电和其他辐射。

系 统间的屏蔽是对两个空间区域进行金属隔离,以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一区域感应和辐射,其目的是隔断电磁场的r合途径。它有两个方面:一是 将敏感设备或系统用屏蔽体包围起来,防止受外界磁场的干扰。另一方面是将干扰源屏蔽起来,防止干扰磁场向外扩散,影响其它的无线设备或人体。对干扰源和敏 感电器进行屏蔽,是利用屏蔽体 阻止高频电磁场在空间传播的原理,减少系统间电磁 感应的影响,有效提高电磁兼容性能。

屏 蔽体对来自外部或内部的电磁波场有着吸收能量(涡流损耗),反射能量(电磁波在屏蔽体上的反射)和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场,抵消部分 干扰电磁波)的作用,达到减弱干扰的功能。当电磁场频率较低时,吸收损耗较小,屏蔽作用以反射损耗为主,采用高导磁材料做屏蔽层,使磁力线限制 在屏蔽体内,防止向外扩散。当干扰电磁场频率较高时,吸收损耗随频率上升而增加,反射损耗随频率上升而下降宜采用导电良好的金属材料做屏蔽层,利用高频干 扰电磁场,在屏蔽金属内产生的涡流,形成对外来电磁波的抵消作用。

屏蔽体较厚或相对磁导率较大,则屏蔽效能较强,但屏蔽体也不可能无限加 厚,为了增强屏蔽效果,可采用双层屏蔽法。影响屏蔽效果的主要因素为缝隙通风空洞、电源线、信号线等,为达到良好的屏蔽效果,要求每条缝隙都应该是电磁密 封的,实践上我们采用增加缝隙深度,减小缝隙长度,在缝隙中辊人导电衬垫或涂上导电涂料等都是十分有效的方法。通风洞孔也是屏蔽效果好坏的关键点,为提高 通风孔洞的屏蔽效能,我们在机械结构上采取措施,比如采用圆形孔洞、减小孔洞面积,孔洞上覆盖金属丝网,采用屏蔽电缆做信号线和电源线,或在输入输出端口 上增加滤波器等方式,达到提高屏蔽效果目的。

接地技术接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施,目的是把 雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地,从而起到保护建筑物的作用。同时,接地也是保护人身安全的一种有效手段,当某种原因引起的相线(如电线绝缘不 良,线路老化等)和设备外壳碰触时,设备的外壳就会有危险电压产生,由此生成的故障电流就会流经PE线到大地,从而起到保护作用。

随着电 子通信和其它数字领域的发展,在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。比如在通信系统中,大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准' 地'作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化,信号频率越来越高,因此,在接地设计中,信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注,否则,接地不 当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。最近,高速信号的信号回流技术中也引入了"地"的概念。

电路和用电设备的接地按功能分为安全接 地或信号接地两方面。安全接地就是采用低阻抗的导体将用电设备的外壳连接到大地上,使操作使用人员不致因设备外壳漏电或故障放电而发生触电危险,另一种安 全接地为防雷接地。信号接地是在系统和设备中采用低阻抗的导线或地平面为各种电路提供具有共同参考电位的信号返回通路,使流经该地线的各电路信号电流互不 影响,信号接地的主要目的是为了抑制电磁干扰,是以电磁兼容性为目标的接地方式,包括:(1)屏蔽接地为了防止电路由于寄生电容存在产生干扰、电路辐射电 场或对外界电场敏感,必须进行必要的隔离和屏蔽,这些屏蔽的金属必须接地,(2)滤波器接地,滤波器中一般包含信号线和电源线接地的旁路电容,当滤波器不 接地时,这些电容就处于悬浮状态,起不到旁路作用,(3)噪声干扰抑制,对内部噪声和外部干扰的控制需要设备或系统上许多点与地相连,从而为干扰信号提 供"最低阻抗"通道(4)电位参考地,电路之间信号要正确传输须有一个公共电位参考点,这个公共电位参考点就是地,所以互相连接的电路必须接地。信号接地 方式有四类,它们是将所有电路按信号特性分类分别接地,形成四个独立接地系统,每个"地"子系统采用不同接地方式。

第一类,敏感信号和小信号地线系统,这些电路工作电平低,信号幅度弱,容易受干扰失效或降级,其地线应避免混杂于其他电路中。

第二类,不敏感信号和大信号地线系统,这些电路中工作电流大,地线系统电流也大,须与小信号电路的地线分开,否则将通过地线的r合作用对小信号电路造成干扰。

第三类,干扰源源设备的地系统,这类设备工作时产生火花或冲击电流等,往往对电子电路产生严重干扰,除要采用屏蔽隔离技术外,地线须与电子电路分开设置。

第四类,金属构件为防止发生人身触电事故,外界电磁场的干扰及摩擦产生静电等须将机壳接地。

同 类电路中,根据接地点连接方式不同,又分为单点接地,适用于低频(((1MHz》和公共接地面尺寸小的情况,可有限避免点之间的地阻干扰);多点接地,对 于高频{>lOMHz)和公共接地面尺寸大的情况,单点和多点混合接地:适用于频率在1MHz-lOMHzo 悬浮接地,可以防止机箱上的干扰电流直接r合到信号电路,但是容易出现静电累积,当电荷达到一定程度后,会产生静电放电,变压器和光电藕器就是典型的浮 地。

滤波技术:

滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作,是抑制和防止干扰的一项重要措施。根据观察某一随机过程的结果, 对另一与之有关的随机过程进行估计的概率理论与方法。滤波一词起源于通信理论,它是从含有干扰的接收信号中提取有用信号的一种技术。"接收信号"相当于被 观测的随机过程,"有用信号"相当于被估计的随机过程。例如用雷达跟踪飞机,测得的飞机位置的数据中,含有测量误差及其他随机干扰,如何利用这些数据尽可 能准确地估计出飞机在每一时刻的位置、速度、加速度等,并预测飞机未来的位置,就是一个滤波与预测问题。这类问题在电子技术、航天科学、控制工程及其他科 学技术部门中都是大量存在的。历史上最早考虑的是维纳滤波,后来R.E.卡尔曼和R.S.布西于20世纪60年代提出了卡尔曼滤波。现对一般的非线性滤波 问题的研究相当活跃。

总之,医院作为医疗设备的主要使用方,应重视对操作的医护人员、采购、维修人员进行必要的电磁兼容(EMC)知识的 学习培训,按照使用现场的电磁环境选购符合EMC要求的产品并正确地按设备使用说明书或技术说明书安装、操作,为了广大公众的健康和安全,应让其能按照设 计,不受干扰正常运行。

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