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关于医疗电子设备电磁兼容的分析

-2020-02-19-

  电磁兼容(Electromagnetic CompaTIbility,简写EMC)是指在有限的空间、时间和频谱资源等条件下,各种电气设备可以共同工作,不发生性能降级的状态。实际上,EMC就是设备或系统在电磁环境中的共存能力,任何设备或系统都应该不受干扰并且不干扰其他设备。一个设计理想的电子设备或系统应该既不辐射任何不希望的能量,又应该不受任何不希望有的能量的影响。

  随着现代科学技术的发展,电子设备的数量及种类不断增加,空间电磁波频段不断拓展,使电磁环境日益复杂。在这种复杂的电磁环境中,电子系统有可能受到电磁干扰的影响而偏离正常的工作状态,甚至可能会处于瘫痪状态。1994年美国温切斯特市分析和工程中心对医疗设备在各种不同环境可能遇到的电磁场场强作了专题的调查研究,发现医疗电子设备可能随时处在各种大小不同的电磁场包围中,受到很大的电磁场场强的辐射。加强医疗电子设备的电磁兼容研究,提高设备的抗干扰能力,将潜在的电磁干扰风险降到极低的程度,是摆在我们面前的一个严峻问题。

  事实证明,在电磁环境中,电磁干扰造成的危害是各种各样的,轻则产生令人烦恼的现象,如手机信号对固定电话产生的干扰而引起的通话质量的下降,重则会严重影响生产。由于医疗电子设备在诊断和治疗方面的重要性,使得电磁干扰对医疗电子设备的影响直接关系到患者的人身安全。随着医疗和康复设备小型、高灵敏度和智能化的实现,使它们更容易受到电磁干扰的影响。电磁干扰将会使电磁兼容性较差的诊断用仪器性能变差,为医生提供失真的数据、波形及图像等等医学信息,医生不能做出正确的诊断,也就做不了有效的治疗。

  1998年美国德克萨斯州有两家医院使用的无线医疗远程监护设备受到干扰而停止工作。广州一名安装了心脏起搏器的病人,在用手机进行通话时,起搏器受到干扰而工作不正常,险些因此而失去生命。在美国,一名安装了电动控制假肢的人在驾驭摩托车经过高压线时,由于电动假肢受到干扰而发生误动作,造成了车毁人亡的惨剧。由此可见,开展电磁兼容研究,加强电磁兼容管理,提高医疗电子设备电磁兼容性,降低电磁干扰的风险是医疗电子设备设计者、制造商和使用者的当务之急。

  各种形式的电磁干扰是影响电气设备电磁兼容性的主要因素。电磁干扰可分为内部干扰和外部干扰。内部干扰是指电子设备内部各部件之间的相互干扰。例如:工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰,元器件发热的干扰,信号通过地线、电源和传输导线的阻抗耦合干扰,大功率和高电压部件产生的磁场和电场干扰等。外部干扰是指电子设备或系统以外的因素所产生的干扰。例如:空间电磁波产生的干扰,供电网络所产生的干扰,外部大功率设备所产生的强磁场干扰,外部高电压通过绝缘漏电产生的干扰,环境温度不稳定引起内部电子元器件参数改变造成的干扰等。

  静电屏蔽是利用与大地相连接的导电性良好的金属容器进行屏蔽,使内部的电场不外传,同时外部的电场也不影响内部。

  电磁屏蔽利用屏蔽体对来自外部或内部的电磁波均起着吸收能量(涡流损耗)、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射)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。当干扰电磁场频率较高时,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。当干扰电磁场频率较低时,采用高导磁材料做屏蔽层,使磁力线限制在屏蔽体内部,防止向外扩散。

  近年来,塑料机箱、塑料部件或面板广泛地应用于医疗电子设备上,于是外界的电磁波很容易穿透外壳或面板,对仪器的正常工作产生干扰,而仪器所产生的电磁波,也非常容易辐射到周围空间,影响其它电子仪器正常工作。对这样的仪器可采用塑料金属化处理的工艺方法,如溅射镀锌、化学镀铜、粘贴金属箔和涂覆导电涂料等进行处理,经过金属化处理后,使完全绝缘的塑料表面具有金属那样反射、吸收、传导和衰减电磁波的特性,起到屏蔽电磁波干扰的作用。中外具有显示功能的仪器设备,由于显示屏采用普通玻璃,不具备电磁屏蔽的功能,内部模块工作时所产生的电磁波通过这里向外辐射,形成干扰。

  接地是抑制噪声防止干扰的主要办法,包括供电系统接地、设备接地、电路信号接地、屏蔽接地等。接地的目的主要有:

  (1)防止外界电磁场的干扰。通过使机壳接地,将由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通入大地,防止这些电荷形成的高压对设备的干扰。

  (2)使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位,保证电路系统能稳定的工作。

  (3)保证安全工作。为了防止雷击可能造成的损坏和工作人员的人身安全,电子设备的机壳,必须与大地相连接。为防止共用电源的医疗电子设备间通过电源线造成相互的电磁干扰,应采用三相五线和单相三线制供电方式。医院内必须要规范完善接地网。各类接地应自成体系,不可共用同一个接地极。医用建筑内应有独立交流接地网,每个房间不允许多点接地。不准用暖气管、自来水管作接地线,严禁无接地线工作。

  滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。根据信号及噪声频率分布范围,将相应频带的滤波器接入信号传输通道中,滤去或尽可能衰减噪声,达到提高信噪比的目的。采用滤波网络无论是抑制干扰源和消除干扰耦合,或是增强接收设备的抗干扰能力,都是有力措施。滤波器的种类很多,如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等,根据信号频谱的特点和干扰的频谱特点,选择适当的滤波器能消除不希望的耦合。例如:对高频电路可采用两个电容器和一个电感器(高频扼流圈)组成的CLCπ型滤波器。用阻容和感容去耦网络能把电路与电源隔离开,消除电路之间的耦合,并避免干扰信号进入电路。

  浮置又称浮空,浮接,是指电子设备仪器仪表的输入信号放大器公共线不接机壳也不接大地的一种抑制干扰的措施。目的是阻断干扰电流的通路。隔离是破坏干扰途径、切断噪声耦合通道,从而达到抑制干扰目的一种技术措施。常用的电路隔离方法有变压器隔离法和光电耦合法。平衡电路又称对称电路,是指双线电路中的两根导线与连接到导线的所有电路,对地或对其他导线都具有相同的阻抗。其目的在于使两根导线所检到的干扰信号相等。这时的干扰噪声是一个共态信号,可在负载上自行消失。