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醫療設備的電磁兼容性分析
發布時間:2014-05-26   點擊次數:8729次
電磁抗擾度傳播途徑一般也分為兩種:即傳導耦合方式和輻射耦合方式。任何電磁抗擾度的發生都必然存在抗擾度能量的傳輸和傳輸途徑(或傳輸通道)。通常認為電磁抗擾度傳輸有兩種方式:一種是傳導傳輸方式;另一種是輻射傳輸方式。因此從被抗擾度的敏感器來看,抗擾度耦合可分為傳導耦合和輻射耦合兩大類。傳導傳輸必須在抗擾度源和敏感器之間有完整的電路連接,抗擾度信號沿著這個連接電路傳遞到敏感器,發生抗擾度現象。這個傳輸電路可包括導線,設備的導電構件、供電電源、公共阻抗、接地平板、電阻、電感、電容和互感元件等。  
輻射傳輸是通過介質以電磁波的形式傳播,抗擾度能量按電磁場的規律向周圍空間發射。常見的輻射耦合由三種:  
1. 甲天線發射的電磁波被乙天線意外接受,稱為天線對天線耦合;  
2. 空間電磁場經導線感應而耦合,稱為場對線的耦合; 
3.兩根平行導線之間的高頻信號感應,稱為線對線的感應耦合。在實際工程中,兩個設備之間發生抗擾度通常包含著許多種途徑的耦合。正因為多種途徑的耦合同時存在,反復交叉耦合,共同產生干擾,才使電磁干擾變得難以控制。  
醫療設備在診斷和治療方面所起的重要作用,使得電磁抗擾度對其的影響直接關系到患者的人身安全,目前醫療設備小型、高靈敏度和智能化的實現,使它們更易受電磁抗擾度的影響,特別是那些抗擾度能力差的(即電磁兼容性差的診斷儀器,為醫生提供了失真的數據、波形及圖像等信息,使得醫生不能做出正確診斷,當然會影響有效的治療,甚至危及人的生命,國際有許多這方面的報道。  
經美國FDA認定的疑為因醫療器械受電磁抗擾度引發的事故;一位心臟起搏器的患者在乘坐救護車急救過程中,因救護人員使用雙向無線通訊設備而導致起博失效。病人監護儀受電磁抗擾度影響,致使病人因檢測不出心律不齊而死亡。設備的CAT顯示器上過度抗擾度,醫務人員難以判斷心率,致使病人無法復蘇。  
移動電話對嬰兒暖箱、輸液泵、人工透析器、心臟起博器、心臟除顫裝置產生的抗擾度,因此美國的醫院明令禁止在有這類設備的病房使用手機新生兒呼吸監護儀(新生兒呼吸停止而專門設計的報警裝置)受調頻電臺FM發射的抗擾度調制波的影響,擾亂了呼吸節律導致報警失靈。  
上面的例子僅談了外界的電磁抗擾度對醫用設備的影響,殊不知現代醫療中使用了各種高頻、射頻發射機高敏感性電氣,電子元件和部件以及使用射頻能量作為診斷或治療的設備或系統(MAI),其工作時可能作為一EMI抗擾度源通過不同的耦合途徑向周圍傳播出不同頻率范圍和電磁場強度的有用或無用的電磁波,無線電廣播通訊業務和周圍其它設備的工作,且它們在共同的電磁環境中,還可能受到周圍電力、電子設備,以及醫療設備之間抗擾度。所以許多醫用設備既是抗擾度源又是敏感設備也就是說它存在抗擾度和被抗擾度兩重性,如此以來一個問題值得我們思考,在此復雜的電磁環境下,醫療設備如何達到一個既不受或盡量減少受到其它各種電磁抗擾度的影響,又能盡量減少對其它設備或人體的電磁抗擾度,從而達到一種平衡,電磁兼性就是這樣的一個概念。  
電磁兼容性(EMC)是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁抗擾度的能力。因此,EMC包括兩個方面的要求:一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁抗擾度不能超過一定的限值;另一方面是指器具對所在環境中存在的電磁抗擾度具有一定程度的抗擾度,即電磁敏感性。  
為實現在同一電磁環境中的醫療設備或系統在自身工作正常的情況下,又能達到不妨礙正常的無線電通訊工作,又不抗擾度周圍設備的正常工作,就須建立一種規則,既要對設備或系統的抗擾度能力做出規定,即設備的抗擾度水平不能太低,將發射電平和抗擾度電平限制在規定的發射限值和規定的抗擾度限值內,設備就達到了電磁兼容的目的。任何有源的醫療電子設備都會向外輻射電磁場,只不過輻射磁場強大小、頻率不同,場強愈強對外界抗擾度愈強。  
發射值與抗擾度限值的間隔愈大,則電磁兼容度就愈大,設備的電磁兼容性愈高。所以限制醫療設備的對外發射電平,提高其對電磁環境的抗擾度能力,兩者兼顧,才能達到設備與環境的互相協調。  
隨著醫療設備的電磁兼容問題日益突顯,國際上許多國家從法規上采取了措施對醫療設備產品的電磁兼容性進行控制,我國政府也非常重視這個問題,已于2005年4月1日,由國家食品藥品監督管理局批準發了:"Y Y05 05-2005醫用電氣設備電磁兼容性要求和試驗"行業標準,經過兩年執行過渡期,已于2007年4月1日起正式執行,這就需要我們在醫療實踐中貫徹這個行業標準,努力提高醫療設備的電磁兼容性,提升設備的抗擾度能力,將潛在的電磁抗擾度風險降到最低。
理論和實踐的研究表明,不管復雜系統還是簡單裝置,任何一個電磁抗擾度的發生必須具備三個基本條件:首先應該具有抗擾度源;其次有傳播干擾能量的途徑和通道;第三還必須有被抗擾度對象的響應。在電磁兼容性理論中把被抗擾度對象統稱為敏感設備(或敏感器)。因此抗擾度源、抗擾度傳播途徑(或傳輸通道)和敏感設備稱為電磁抗擾度三要素。  
對于醫用設備和系統而言,既要求它具有不影響無線電廣播、電視、無線電通訊等業務或不影響其它設備和系統的基本性能,又要求它對電磁抗擾度有一定的抗擾度,它的基本性能不受電磁抗擾度的影響,所謂抗擾度是指裝置設備或系統面臨電磁騷擾不降低運行性能的能力,這是表明設備或系統面對電磁抗擾度不降低性能的一種能力,抗擾度越高,表明它越能承受外界的電磁抗擾度。  
電磁抗擾度源可分為自然抗擾度源和人為抗擾度源,自然抗擾度源包括地球上各處雷電產生的天電噪聲,太陽黑子爆炸和活動產生的噪聲等,抗擾度源由電器或其它用電裝置產生電磁抗擾度,本篇所涉及的多為人為騷擾。  
提高敏感設備的抗擾度是實現電磁兼容的有效手段,醫療設備的抗擾度分為7類:  
1)靜電放電、(2)射頻輻射、(3)快速瞬變脈沖群、(4)浪涌、(5)射頻場感應的傳導、(6)工頻磁場、(7)電壓暫降短時中斷和電壓變化抗擾度,提高這7個方面的抗擾度是提高電磁兼容性的好辦法解決電磁兼容問題只需從以上3個要求來著手,控制抗擾度源的電磁輻射,抑制電磁抗擾度的傳播途徑,增加敏感設備的抗擾度能力,3個要素中只要缺少一個要素,電磁抗擾度就無法實現。  
作為一個醫用設備的用戶,我們更多的是考慮系統間的電磁兼容性的問題,系統間的兼容性技術也是通過屏蔽,接地和濾波等技術實現,只不過實施方法不同。  
屏蔽的愿意是指遮蔽、阻擋的意思。在不同的地方,有不同的意義。屏蔽還指隔離。如:屏蔽服,屏蔽保護膜等等。其作用是防止靜電和其他輻射。  
系統間的屏蔽是對兩個空間區域進行金屬隔離,以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一區域感應和輻射,其目的是隔斷電磁場的r合途徑。它有兩個方面:一是將敏感設備或系統用屏蔽體包圍起來,防止受外界磁場的干擾。另一方面是將抗擾度屏蔽起來,防止抗擾度磁場向外擴散,影響其它的無線設備或人體。對抗擾度源和敏感電器進行屏蔽,是利用屏蔽體阻止高頻電磁場在空間傳播的原理,減少系統間電磁 感應的影響,有效提高電磁兼容性能。  
屏蔽體對來自外部或內部的電磁波場有著吸收能量(渦流損耗),反射能量(電磁波在屏蔽體上的反射)和抵消能量(電磁感應在屏蔽層上產生反向電磁場,抵消部分抗擾度電磁波)的作用,達到減弱抗擾度的功能。當電磁場頻率較低時,吸收損耗較小,屏蔽作用以反射損耗為主,采用高導磁材料做屏蔽層,使磁力線限制在屏蔽體內,防止向外擴散。當抗擾度電磁場頻率較高時,吸收損耗隨頻率上升而增加,反射損耗隨頻率上升而下降宜采用導電良好的金屬材料做屏蔽層,利用高頻抗擾度電磁場,在屏蔽金屬內產生的渦流,形成對外來電磁波的抵消作用。  
屏蔽體較厚或相對磁導率較大,則屏蔽效能較強,但屏蔽體也不可能無限加厚,為了增強屏蔽效果,可采用雙層屏蔽法。影響屏蔽效果的主要因素為縫隙通風空洞、電源線、信號線等,為達到良好的屏蔽效果,要求每條縫隙都應該是電磁密封的,實踐上我們采用增加縫隙深度,減小縫隙長度,在縫隙中混入導電襯墊或涂上導電涂料等都是十分有效的方法。通風洞孔也是屏蔽效果好壞的關鍵點,為提高通風孔洞的屏蔽效能,我們在機械結構上采取措施,比如采用圓形孔洞、減小孔洞面積,孔洞上覆蓋金屬絲網,采用屏蔽電纜做信號線和電源線,或在輸入輸出端口上增加濾波器等方式,達到提高屏蔽效果目的。  
接地技術的引入最初是為了防止電力或電子等設備遭雷擊而采取的保護性措施,目的是把雷電產生的雷擊電流通過避雷針引入到大地,從而起到保護建筑物的作用。同時,接地也是保護人身安全的一種有效手段,當某種原因引起的相線(如電線絕緣不良,線路老化等)和設備外殼碰觸時,設備的外殼就會有危險電壓產生,由此生成的故障電流就會流經PE線到大地,從而起到保護作用。  
隨著電子通信和其它數字領域的發展,在接地系統中只考慮防雷和安全已遠遠不能滿足要求了。比如在通信系統中,大量設備之間信號的互連要求各設備都要有一個基準''''''''地''''''''作為信號的參考地。而且隨著電子設備的復雜化,信號頻率越來越高,因此,在接地設計中,信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關注,否則,接地不當就會嚴重影響系統運行的可靠性和穩定性。最近,高速信號的信號回流技術中也引入了"地"的概念。
電路和用電設備的接地按功能分為安全接地或信號接地兩方面。安全接地就是采用低阻抗的導體將用電設備的外殼連接到大地上,使操作使用人員不致因設備外殼漏電或故障放電而發生觸電危險,另一種安全接地為防雷接地。信號接地是在系統和設備中采用低阻抗的導線或地平面為各種電路提供具有共同參考電位的信號返回通路,使流經該地線的各電路信號電流互不影響,信號接地的主要目的是為了抑制電磁抗擾度,是以電磁兼容性為目標的接地方式,包括:(1)屏蔽接地為了防止電路由于寄生電容存在產生抗擾度、電路輻射電場或對外界電場敏感,必須進行必要的隔離和屏蔽,這些屏蔽的金屬必須接地,(2)濾波器接地,濾波器中一般包含信號線和電源線接地的旁路電容,當濾波器不接地時,這些電容就處于懸浮狀態,起不到旁路作用,(3)噪聲抗擾度抑制,對內部噪聲和外部抗擾度的控制需要設備或系統上許多點與地相連,從而為抗擾度信號提供"最低阻抗"通道(4)電位參考地,電路之間信號要正確傳輸須有一個公共電位參考點,這個公共電位參考點就是地,所以互相連接的電路必須接地。信號接地方式有四類,它們是將所有電路按信號特性分類分別接地,形成四個獨立接地系統,每個"地"子系統采用不同接地方式。  
第一類,敏感信號和小信號地線系統,這些電路工作電平低,信號幅度弱,容易受抗擾度失效或降級,其地線應避免混雜于其他電路中。  
第二類,不敏感信號和大信號地線系統,這些電路中工作電流大,地線系統電流也大,須與小信號電路的地線分開,否則將通過地線的r合作用對小信號電路造成抗擾度。  
第三類,抗擾度源源設備的地系統,這類設備工作時產生火花或沖擊電流等,往往對電子電路產生嚴重抗擾度,除要采用屏蔽隔離技術外,地線須與電子電路分開設置。  
第四類,金屬構件為防止發生人身觸電事故,外界電磁場的抗擾度及摩擦產生靜電等須將機殼接地。  
同類電路中,根據接地點連接方式不同,又分為單點接地,適用于低頻《1MHz》和公共接地面尺寸小的情況,可有限避免點之間的地阻抗擾度);多點接地,對于高頻《lOMHz》和公共接地面尺寸大的情況,單點和多點混合接地:適用于頻率在1MHz-lOMHzo 懸浮接地,可以防止機箱上的抗擾度電流直接r合到信號電路,但是容易出現靜電累積,當電荷達到一定程度后,會產生靜電放電,變壓器和光電耦合器就是典型的浮地。  
濾波技術:  
濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作,是抑制和防止抗擾度的一項重要措施。根據觀察某一隨機過程的結果,對另一與之有關的隨機過程進行估計的概率理論與方法。濾波一詞起源于通信理論,它是從含有抗擾度的接收信號中提取有用信號的一種技術。"接收信號"相當于被觀測的隨機過程,"有用信號"相當于被估計的隨機過程。例如用雷達跟蹤飛機,測得的飛機位置的數據中,含有測量誤差及其他隨機抗擾度,如何利用這些數據盡可能準確地估計出飛機在每一時刻的位置、速度、加速度等,并預測飛機未來的位置,就是一個濾波與預測問題。這類問題在電子技術、航天科學、控制工程及其他科學技術部門中都是大量存在的。歷史上最早考慮的是維納濾波,后來R.E.卡爾曼和R.S.布西于20世紀60年代提出了卡爾曼濾波。現對一般的非線性濾波問題的研究相當活躍。  
總之,醫院作為醫療設備的主要使用方,應重視對操作的醫護人員、采購、維修人員進行必要的電磁兼容(EMC)知識的學習培訓,按照使用現場的電磁環境選購符合EMC要求的產品并正確地按設備使用說明書或技術說明書安裝、操作,為了廣大公眾的健康和安全,應讓其能按照設計,不受抗擾度正常運行。

 

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