醫(yī)療儀器設(shè)備中的EMC解決方案

隨著醫(yī)療儀器設(shè)備現(xiàn)代化程度的進(jìn)一步提高，各種運(yùn)行的電力設(shè)備之間以電磁傳導(dǎo)、電磁感應(yīng)和電磁輻射三種方式彼此關(guān)聯(lián)并相互影響，在一定的條件下會(huì)對(duì)運(yùn)行的設(shè)備和人員造成干擾、影響和危害。

1.1干擾的方式

干擾分為差模干擾、共模干擾和串模干擾。差模干擾又叫常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾，它是指疊加在線路電壓正弦波上的干擾，是載流導(dǎo)體之間的干擾。如電網(wǎng)的過欠壓、瞬態(tài)突變、尖峰等。共模干擾又叫縱模干擾、不對(duì)稱干擾和接地干擾，它是指產(chǎn)生于電網(wǎng)與零線之間的干擾，是載流導(dǎo)體與大地之間的干擾，是由輻射或干擾耦合到電路中來的。如尖峰干擾、射頻干擾、零線與地線間的穩(wěn)態(tài)電壓等。串模干擾是指外界磁場(chǎng)電場(chǎng)引起的干擾。

1.2干擾的類型

現(xiàn)在生產(chǎn)的所有電子設(shè)備都包含電磁干擾濾波電路。同樣，所有開關(guān)型電源都有內(nèi)部的電磁干擾濾波器。但是，在有些環(huán)境中，這些電子器件的電磁干擾濾波器需要輔助濾波器，以便滿足更加苛刻的電噪聲管制或者保護(hù)器件免受過多的外部噪聲源干擾。

電源干擾的類型包括電壓降落、失電、頻率偏移、電氣噪聲、浪涌、諧波失真和瞬變等。

l.3干擾對(duì)醫(yī)療儀器設(shè)備的影響

心腦電圖機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、超聲診斷儀、針灸電療儀或銀針直接接觸人體的儀器設(shè)備等，特別是檢測(cè)人體生物電信號(hào)的儀器設(shè)備，由于信號(hào)非常的微弱，如果受到干擾，就會(huì)在檢測(cè)結(jié)果如波形、圖形、圖像上疊加一種類似于某些病變的畸變?cè)斐烧`診，同時(shí)還會(huì)引起微電擊，嚴(yán)重時(shí)還有生命危險(xiǎn)。如果是帶有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備，當(dāng)共模干擾中的尖峰干擾幅度達(dá)到2V～50V，時(shí)間持續(xù)數(shù)微秒時(shí)，可引起計(jì)算機(jī)邏輯錯(cuò)誤、丟失等。

2抑制干擾的常用方法

2.1接地

在闡述接地之前，必須弄清地線與零錢、保護(hù)接地和保護(hù)接零的基本概念。即：地線是指連接地球通向大地的金屬連接線，而零線是我國(guó)電力部門提供的工作線路;保護(hù)接地是將儀器設(shè)備的金屬外殼接上地線，在外殼由于干擾引起帶電時(shí)，電流沿地線流入大地，達(dá)到保護(hù)人身和儀器設(shè)備安全的目的。而保護(hù)接零是將儀器設(shè)備的金屬外殼與電源的零線連接起來，在短路時(shí)，立即燒斷保險(xiǎn)，以達(dá)到切斷電源的目的。

2.1.1儀器設(shè)備的信號(hào)接地

①浮地把電路的“零”電位或設(shè)備的“零”電位與公共接地系統(tǒng)，或可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線絕緣，即不接地，使此“零”電位相對(duì)于大地的零電位來說是個(gè)懸空的“零”電位。常用的方法有變壓器隔離和光電耦合隔離。浮地的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是靜電積累。當(dāng)電荷積累到一定程度后，在設(shè)備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈地靜電放電，而成為破壞性很強(qiáng)的騷擾源。解決的方法是在浮地與公共地間跨接泄放電阻、阻值的大小以不影響設(shè)備漏電流的要求為宜。

②單點(diǎn)接地電路和設(shè)備中凡需要接地的點(diǎn)都接到被定義的只有一個(gè)物理點(diǎn)為接地參考點(diǎn)的點(diǎn)上就稱為單點(diǎn)接地。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)如果采用單點(diǎn)接地，每個(gè)設(shè)備都要有自己的單點(diǎn)接地點(diǎn)，然后各設(shè)備的地再與系統(tǒng)中唯一指定的參考接地點(diǎn)相接。缺點(diǎn)是系統(tǒng)工作頻率很高時(shí)呈某種電抗效應(yīng)，引起接地效果不佳。

③多點(diǎn)接地多點(diǎn)接地是指設(shè)備中凡需接地的點(diǎn)，都直接接到離它最近的接地平面上。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，高頻駐波小。缺點(diǎn)是維護(hù)量較大。

④混合接地集單點(diǎn)和多點(diǎn)接地之長(zhǎng)，把需要就近接地的點(diǎn)，就近直接與接地平面相連或?qū)π枰哳l接地的點(diǎn)，通過旁路電容與接地平面相連接，其余各點(diǎn)均采用單點(diǎn)接地。流通信號(hào)波長(zhǎng)低于0.05λ時(shí)采用單點(diǎn)接地，接地線長(zhǎng)度達(dá)到0.05λ以上的就應(yīng)采用多點(diǎn)接地。

2.2屏蔽

為了有效地抑制設(shè)備內(nèi)、外部的輻射電磁能通過空間傳播的電磁干擾，通常采取的措施，是屏蔽。具體有電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)屏蔽三種。實(shí)踐證明：對(duì)帶有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的儀器設(shè)備，采用屏蔽計(jì)算機(jī)主機(jī)的方法對(duì)電磁干擾和靜電產(chǎn)生的干擾有很好的抑制作用。用不同的屏蔽方式和材料其效果也各不相同。

2.2.1電場(chǎng)屏蔽

儀器設(shè)備中電位不同物體間的相互感應(yīng)可看成是分布電容間的電壓分配。為了減少干擾源對(duì)被感應(yīng)物的干擾，通常采取的措施是：增大干擾源與被感應(yīng)物的距離，減小分布電容;盡可能讓被感應(yīng)物貼近接地板，增大其對(duì)地的電容;在兩者間加入金屬屏蔽層。屏蔽層必須是導(dǎo)電良好的導(dǎo)體，要有足夠的強(qiáng)度，接地要好。例如心腦電圖機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、針灸電療儀或銀針直接接觸人體的儀器設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離超短波治療機(jī)、高頻電刀、X射線機(jī)、CT、MRI及一切能輻射電磁波的醫(yī)療設(shè)備的輻射區(qū)內(nèi)，X線機(jī)的高壓電纜屏蔽層的重要性。

2.2.2磁場(chǎng)屏蔽

磁場(chǎng)屏蔽是指對(duì)直流或低頻磁場(chǎng)的屏蔽。其屏蔽原理是利用屏蔽體的高導(dǎo)磁率、低磁阻特性對(duì)磁通所起的磁分路作用，從而削弱屏蔽體內(nèi)部的磁場(chǎng)。為了減少屏蔽體的磁阻，所用材料必須是高導(dǎo)磁率的，有一定的厚度的材料。被屏蔽物要盡量放在屏蔽體的中心位置，注意縫隙。通風(fēng)孔等要順著磁場(chǎng)方向分布，電磁屏蔽是電磁兼容技術(shù)的主要措施之一。即用金屬屏蔽材料將電磁干擾源封閉起來，使其外部電磁場(chǎng)強(qiáng)度低于允許值的一種措施;或用金屬屏蔽材料將電磁敏感電路封閉起來，使其內(nèi)部電磁場(chǎng)強(qiáng)度低于允許值的一種措施。

2.2.3電磁場(chǎng)屏蔽

該電路包括耦合至次級(jí)繞組中一匝的一反相裝置，用于產(chǎn)生與從所述次級(jí)繞組感應(yīng)至陽極的一電壓信號(hào)的相位相反的相位;一振蕩裝置，用于振蕩從所述反相裝置的輸出節(jié)點(diǎn)輸出的電壓信號(hào)并使經(jīng)振蕩的信號(hào)與所述高電壓在電平上相匹配;以及一電磁場(chǎng)發(fā)生裝置，用于施加從所述振蕩裝置的輸出節(jié)點(diǎn)輸出的一電壓信號(hào)，產(chǎn)生一電磁場(chǎng)以響應(yīng)于實(shí)質(zhì)上圍繞所述顯象管的前部的周圍的所述電壓信號(hào)，并消除和屏蔽從所述陽極產(chǎn)生的所述電磁場(chǎng)。結(jié)果，該電路可以較低成本應(yīng)用于多種尺寸的陰極射線管，由此提出生產(chǎn)效率。3抑制干擾的技術(shù)

3.1專用線路

為了抑制儀器設(shè)備間的相互干擾，最簡(jiǎn)單的方法是采用分相供電制。即：在三線供電線路中認(rèn)定一相作為敏感設(shè)備的供電電源;一相作為外部設(shè)備的供電電源;再一相作為常用測(cè)試儀器或其它輔助設(shè)備的供電電源。這種措施常應(yīng)用在大型的醫(yī)療儀器設(shè)備供電系統(tǒng)。

值得注意的是在現(xiàn)代醫(yī)用電子儀器設(shè)備系統(tǒng)中，由于配電線路中非線性負(fù)載的使用，造成線路中諧波電流的存在，而零序分量諧波在中線里不能相互抵消，反而疊加，因此過于遷細(xì)的中線會(huì)造成線路阻抗的增加，干擾也將增加。

3.2瞬變干擾抑制器

3.2.1氣體放電管

俗稱避雷管。優(yōu)點(diǎn)是絕緣電阻高、寄生電容小、浪涌吸收能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是對(duì)浪涌電壓的響應(yīng)速度低。

3.2.2金屬氧化物壓敏電阻

壓敏電阻的主要參數(shù)是標(biāo)稱電壓和通流容量。在使用時(shí)，壓敏電阻的電壓選擇要考慮被保護(hù)線路可能有的波動(dòng)電壓，一般取1.2～1.4倍。如果是交流電路，還要注意電壓的有效值與峰值間的關(guān)系。例如220V時(shí)其壓敏電阻的標(biāo)稱電壓應(yīng)是220×1.4×1.4=430V。前者因壓敏電阻對(duì)瞬變干擾吸收時(shí)的高速性能級(jí)，引線越長(zhǎng)感應(yīng)電壓越大，后者因壓敏電阻的固有電容。

3.2.3硅瞬變電壓吸收二極管

TVS管又叫瞬態(tài)電壓抑制電路。當(dāng)瞬態(tài)電壓保護(hù)二極管受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，以1×10-12s的速度，將其兩極間的高阻抗變成低阻抗，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)了電子線路的敏感元件。具體又分為單向和雙向兩種。主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。特點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間快、浪涌吸收能力高、瞬態(tài)功率大、漏電流小、箝位電壓易控制、沒有損傷極限和體積小等。廣泛應(yīng)用于醫(yī)療儀器設(shè)備的靜電，電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，雷擊產(chǎn)生的過電壓保護(hù)。

3.2.4固體放電管

固體放電管的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，吸收電流大、動(dòng)作電壓穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)。其工作原理是：當(dāng)外界干擾低于觸發(fā)電壓時(shí)，放電管處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)干擾電壓超出觸發(fā)電壓時(shí)，放電管工作在負(fù)阻區(qū)。此時(shí)電流極大，使干擾能量轉(zhuǎn)移。隨著干擾的減少，通過放電管的電流回落，當(dāng)干擾電流低于維持電流時(shí)，放電管從低阻區(qū)回到高阻區(qū)，完成～次放電過程。

3.3電源線濾波器

電源線濾波器安裝在電源與電子設(shè)備之間，主要起抑制電能傳輸中寄生的電磁干擾，提高設(shè)備工作可靠性的作用。常用的由無源集中參數(shù)構(gòu)成的單級(jí)線路。如圖1所示。圖中Cx為差模電容，起衰減差模干擾的作用。在220V交流電源中取為幾十～幾百nF，耐壓250VAC。Cy為共模電容，起衰減共模干擾的作用。一般取1nf~4.7nf，耐壓3~6KVDC。L1、L2為共模電感，其電感量與通過電流的大小有關(guān)，對(duì)共模電流有很好的濾波效果。多個(gè)電感串聯(lián)起來：對(duì)于要求較高的濾波器，可以將一個(gè)大電感分解成一個(gè)較大的電感和若干電感量不同的小電感，將這些電感串聯(lián)起來，可以使電感的帶寬擴(kuò)展。但這付出的代價(jià)是體積和成本。另外要注意與電容并聯(lián)同樣的問題，即引入了額外的串聯(lián)諧振點(diǎn)。諧振點(diǎn)上電感的阻抗很小。

提高濾波器性能的措施：一是使用帶地線電感的濾波器。這樣可以抑制地線上的干擾。二是采用多級(jí)濾波器。三是濾波器與吸收器件組合使用。四是使用新型軟磁材料。五是加接有耗元件。

3.4隔離變壓器

隔離變壓器的原理和普通變壓器的原理是一樣的。都是利用電磁感應(yīng)原理。隔離變壓器一般是指1：1的變壓器。由于次級(jí)不和地相連。次級(jí)任一根線與地之間沒有電位差。使用安全。常用作維修電源。

3.4.1普通隔離變壓器

普通隔離變壓器在初級(jí)與次級(jí)間不設(shè)屏蔽層，它是通過輸入與輸出間的電隔離，從而解決公共地的問題。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)共模干擾有一定的抑制作用，其大小可用初次級(jí)間的分布電容和設(shè)備對(duì)地分布電容的比值來估算。通常初次級(jí)間的分布電容為幾百Pf，設(shè)備對(duì)地分布電容為幾~幾十nF，因此共模干擾的衰減值在 10~20倍左右。缺點(diǎn)是對(duì)共模干擾的抑制效果因繞組間的分布電容隨頻率升高而下降。

3.4.2帶屏蔽層的隔離變壓器

在變壓器初次級(jí)間增設(shè)屏蔽層，并將屏蔽層可靠接地，既可獲得較好的抑制共模干擾，也可利用屏蔽層抑制差模干擾。具體做法是將變壓器屏蔽層接至初級(jí)的中線端。例如對(duì)50HZ工頻來說，由于初級(jí)與屏蔽層構(gòu)成的容抗很高，仍可通過變壓器效應(yīng)傳遞到次級(jí)，而未被衰減。對(duì)頻率較高的共模干擾，由于初級(jí)與屏蔽層間容抗變小，使這部分干擾經(jīng)由分布電容及屏蔽層與初級(jí)中線端的連線直接返回電網(wǎng)，而進(jìn)入次級(jí)回路。

3.4.3超級(jí)隔離變壓器

隔離變壓器屬于安全電源，一般用來機(jī)器維修保養(yǎng)用起保護(hù)、防雷、濾波作用。隔離變壓器是一種1/1的變壓器。初級(jí)單相220V，次級(jí)也是單相220V?；虺跫?jí)三相380V，次級(jí)也是三相380V。首先通常我們用的交流電源電壓一根線和大地相連，另一根線與大地之間有220V的電位差。人接觸會(huì)產(chǎn)生觸電。而隔離變壓器的次級(jí)不與大地相連，它的任意兩線與大地之間沒有電位差。人接觸任意一條線都不會(huì)發(fā)生觸電，這樣就比較安全。其次還有隔離變壓器的輸出端跟輸入端是完全“斷路”隔離的，這樣就有效的對(duì)變壓器的輸入端(電網(wǎng)供給的電源電壓)起到了一個(gè)良好的過濾的作用。從而給用電設(shè)備提供了純凈的電源電壓

3.5交流穩(wěn)壓器

由于市電供電壓因各種原因而不穩(wěn)定，特別是有些供電場(chǎng)所電壓波動(dòng)幅度很大，從而影響用電設(shè)備的正常工作，還可能造成用電設(shè)備損壞，而交流穩(wěn)壓器是一種能夠使用電設(shè)備的工作電壓基本穩(wěn)定的穩(wěn)壓設(shè)備。

交流穩(wěn)壓器的作用是在輸入電壓和負(fù)載電流變化時(shí)，把其輸出電壓穩(wěn)定在所允許的范圍內(nèi)。常用的有鐵磁諧振、參數(shù)調(diào)整型、伺服型、分級(jí)調(diào)整寬度、超級(jí)隔離、開關(guān)型、不間斷和凈化等交流穩(wěn)壓電源。

3.5.1鐵磁諧振交流穩(wěn)壓電源

能為負(fù)載提供穩(wěn)定交流電源的電子裝置。又稱交流穩(wěn)壓器。有關(guān)交流穩(wěn)壓電源的參數(shù)及質(zhì)量指標(biāo)可參見直流穩(wěn)壓電源。各種電子設(shè)備要求有比較穩(wěn)定的交流電源供電，特別是當(dāng)計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域后，采用由交流電網(wǎng)直接供電而不采取任何措施的方式已不能滿足需要。

工作原理是靠改變電感的飽和程度，而使電感與電容諧振來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的。當(dāng)輸輸入電壓因某種因素過高或過低時(shí)，其輸出電壓可隨輸入電壓的高低通過自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定不變。優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、輸出阻抗高、過載能力強(qiáng)、可靠性較高。缺點(diǎn)是穩(wěn)壓精度不高、輸出電壓波形失真大、有相移和噪聲。不適宜啟動(dòng)電流大的負(fù)載。

3.5.2參數(shù)調(diào)整型交流穩(wěn)壓電源

典型的是早年的614系列穩(wěn)壓器。該電源是在614的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)，工作原理是利用可控硅的相位控制來改變電感的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)使輸出電壓穩(wěn)定不變。優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓精度高，同第一種比較還可以抑制交流輸出電壓中的部分諧波。缺點(diǎn)是輸入側(cè)的電流諧波較大、功率因數(shù)較低、有相移。特別是帶非線性負(fù)載時(shí)可能有低頻振蕩現(xiàn)象。

3.5.3伺服型交流穩(wěn)壓電源

該電源就是早期的多抽頭自耦式調(diào)壓變壓器。工作原理是監(jiān)視變壓器輸出電壓的高低的辦法來驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)改變變壓器輸出抽頭的位置，使輸出電壓在維持負(fù)載所允許的電壓范圍內(nèi)。缺點(diǎn)是響應(yīng)速度低，調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多尖峰和振鈴干擾。

3.5.4分級(jí)調(diào)整的寬限交流穩(wěn)壓電源

該電源和伺服型交流穩(wěn)壓電源類似，所不同的是多抽頭自耦變壓器的抽頭位置是由繼電器轉(zhuǎn)換。由于該電源價(jià)格低廉，輸入電壓的適應(yīng)范圍較寬，應(yīng)用于家用電器的交流穩(wěn)壓。缺點(diǎn)是穩(wěn)壓精度不高，在繼電器轉(zhuǎn)換過程中易產(chǎn)生電火花所帶來的尖峰干擾。

3.5.5超級(jí)隔離變壓器

為了解決了現(xiàn)代電子儀器設(shè)備的小型化、數(shù)字化和低功耗化，對(duì)電網(wǎng)的瞬變干擾尤其敏感的問題，對(duì)多抽頭的繞組的控制則采用了無觸點(diǎn)的雙向可控硅，數(shù)字電路或單片機(jī)。有時(shí)也稱為數(shù)控型凈化電源。優(yōu)點(diǎn)是：穩(wěn)壓電源的電壓適應(yīng)范圍寬、對(duì)電網(wǎng)或負(fù)載變化的響應(yīng)速度快、對(duì)存在于電網(wǎng)中瞬變干擾抑制能力強(qiáng)。

3.5.6開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源

開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源采用了先進(jìn)的高頻開關(guān)電源技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：小型、輕量、高效、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)：復(fù)雜、價(jià)格昂貴。3.5.7不間斷電源

①電動(dòng)機(jī)一發(fā)動(dòng)機(jī)組主要由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的慣性飛輪和交流發(fā)電機(jī)組組成。當(dāng)電網(wǎng)電壓停電時(shí)，利用飛輪的慣性儲(chǔ)能，使發(fā)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)供電;與此同時(shí)啟動(dòng)備用的柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)油機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速相同時(shí)，油機(jī)離合器與發(fā)電機(jī)相連，完成由市電到油機(jī)的轉(zhuǎn)換。它是較早發(fā)展的一種不間斷電源。優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn)：體積大、噪聲大。

②靜態(tài)后備式電網(wǎng)正常時(shí)，靜態(tài)后備式不間斷電源處在旁通狀態(tài)，當(dāng)市電斷電時(shí)，才將靜態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)切換到逆變器一側(cè)，經(jīng)過2~4ms后逆變器啟動(dòng)，將蓄電池中儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)換成交流電，輸給負(fù)載。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、小巧、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：輸出電壓直接受電網(wǎng)波動(dòng)的影響，抗電網(wǎng)中的突變干擾能力差。

③靜態(tài)在線式該電源的工作過程是市電先經(jīng)整流后對(duì)蓄電池充電，再由蓄電地給逆變器供電，經(jīng)逆變、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻后為負(fù)載供給交流電源。斷電時(shí)蓄電池不再充電，而逆變器供電的狀態(tài)不變，當(dāng)逆變器發(fā)生輸出過電壓、過電流或不間斷電源故障時(shí)逆變器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，并通過靜態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)轉(zhuǎn)到旁通位置，直接由市電給負(fù)載供電。優(yōu)點(diǎn)：保護(hù)和擴(kuò)展能力強(qiáng)。該電源的容量較大，三相大功率的常用醫(yī)院電子計(jì)算機(jī)及監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

4在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用

上述各種方法和抗干擾技術(shù)已廣泛應(yīng)用于心腦電圖機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、超聲診斷儀，電子脈沖治療儀針灸電療儀或銀針直接接觸人體等醫(yī)療診斷、治療儀器設(shè)備之中。

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