電源濾波器在醫(yī)用電氣設(shè)備中的應(yīng)用

摘要：本文通過分析電磁干擾的主要類型以及其在醫(yī)用電氣設(shè)備中的危害，著重討論將電源濾波器應(yīng)用于醫(yī)用電氣設(shè)備中，以解決醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁干擾現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞：醫(yī)用電氣設(shè)備；電源濾波器；電磁干擾

0 引言
    生物醫(yī)學(xué)工程在現(xiàn)代化醫(yī)院中所起的作用越來越重要。醫(yī)療設(shè)備的更新?lián)Q代日新月異，高精尖的醫(yī)療設(shè)備更是決定著醫(yī)療服務(wù)水平，醫(yī)療儀器設(shè)備種類、規(guī)模和先進(jìn)程度成為現(xiàn)代化醫(yī)院的一個(gè)重要標(biāo)志。然而現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)也悄然將電磁污染的陰影籠罩在醫(yī)院上空。在醫(yī)院門診室、手術(shù)室和病房中，一臺有強(qiáng)電磁輻射的醫(yī)用電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾會破壞或降低其他醫(yī)用電氣設(shè)備的工作性能；并通過對人體組織器官的物理化學(xué)作用產(chǎn)生有害的生理效應(yīng)，對人體組織器官造成傷害，危及人類的身體健康。因此世界上許多國家都開始關(guān)注醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁輻射問題，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和文件，提出了對醫(yī)用電氣設(shè)備的輻射和抗干擾的強(qiáng)制性要求。歐盟醫(yī)療器械指令93／42／EEC-Medi-cal Device Directive中明確規(guī)定--需要做CE認(rèn)證出口到歐共體各成員國的醫(yī)用電氣設(shè)備必須通過IEC 60601-1-2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電磁兼容性測試。我國醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY0505-2005對醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容也做了相應(yīng)的要求，并于2007年開始正式執(zhí)行。因此，各醫(yī)療電氣設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)對電磁干擾的關(guān)注日益加強(qiáng)。

1 電磁干擾的類型
    電磁兼容指的是一個(gè)產(chǎn)品和其它產(chǎn)品共存于特定的電磁環(huán)境中，而不會引起其它產(chǎn)品或者自身性能下降或損壞的能力，它主要包括輻射性和抗擾性兩個(gè)領(lǐng)域。電磁干擾主要有兩種類型：
1．1 輻射干擾
    輻射干擾是指設(shè)備產(chǎn)生的電磁波通過空間傳播，并對其他設(shè)備電路產(chǎn)生無用電壓／電流的一種干擾方式。當(dāng)兩臺設(shè)備間的距離與波長相比較長時(shí)，干擾以電磁波的形式傳播。例如，在醫(yī)生使用手機(jī)時(shí)，旁邊的醫(yī)用設(shè)備電腦顯示器圖像會出現(xiàn)抖動(dòng)，這是因?yàn)槭謾C(jī)工作時(shí)發(fā)出的信號通過空間以電磁場的形式傳輸?shù)斤@示器內(nèi)部。
1．2 傳導(dǎo)干擾
    傳導(dǎo)干擾是指一臺設(shè)備產(chǎn)生的電壓／電流變化通過電源線、信號線傳導(dǎo)并影響其他設(shè)備的一種干擾方式。當(dāng)設(shè)備與導(dǎo)線的長度比波長短時(shí)，傳導(dǎo)干擾主要是通過電源線、控制線、信號線傳輸?shù)墓材８蓴_和差模干擾，還有不同設(shè)備使用公共電源或公共地線所產(chǎn)生的共阻抗干擾?，F(xiàn)代化的醫(yī)院里，由于診斷病情和手術(shù)的需要，門診室和手術(shù)室里往往不再是單一的醫(yī)療設(shè)備，而是多臺設(shè)備集中放置，這就不可避免地使多臺醫(yī)用電氣設(shè)備共用一個(gè)電源。電源線本來一般只是輸送50Hz交流電，但是由于連接設(shè)備的電磁干擾，使電源線上的電流很不純凈。傳導(dǎo)干擾很容易通過電源線進(jìn)入醫(yī)療設(shè)備中，使得設(shè)備出錯(cuò)甚至損壞，從而影響診斷結(jié)果的正確性。如果這樣的傳導(dǎo)干擾出現(xiàn)在手術(shù)過程中，嚴(yán)重時(shí)會危害到患者的生命安全。因此，在醫(yī)用電氣設(shè)備中抑制電源線的傳導(dǎo)干擾非常重要。通常，我們采用的主要且有效的方法就是在被干擾設(shè)備的電源線上安裝電源濾波器。

2 電源濾波器在醫(yī)用設(shè)備中的具體應(yīng)用
    醫(yī)用手術(shù)顯微鏡需出口歐盟，根據(jù)IEC 60601-1-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對其進(jìn)行電磁兼容性測試。發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品交流電源端口的傳導(dǎo)干擾測試結(jié)果如圖1所示。由圖可見，該產(chǎn)品電源端口的傳導(dǎo)干擾沒有通過Class B限值的要求。經(jīng)分析討論，決定在產(chǎn)品電源輸入端加裝電源濾波器。


2. 1 電源濾波器的選擇
    濾波器是一種二端口網(wǎng)絡(luò)，具有選擇頻率的特性，它可以讓某些頻率順利通過，而對其他頻率則加以阻攔。電源濾波器屬于抑制干擾濾波器，從頻率選擇的角度來說，也屬于低通濾波器，它能夠毫無衰減地把直流電源和交流電源的功率輸送到設(shè)備上去，同時(shí)又能使高頻干擾信號大大地衰減，以保護(hù)設(shè)備免受損壞。在選擇具體型號時(shí)，要想在抑制的電磁干擾信號頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大可能的失配，使需要抑制的電磁干擾信號受到最大可能的衰減，就必須根據(jù)濾波器兩端將要連接的電源阻抗和負(fù)載阻抗來選擇電源濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，才能取得滿意的抑制干擾的效果。經(jīng)過選擇，我們選擇內(nèi)部是無源低通網(wǎng)絡(luò)的電源濾波器(TYCO公司生產(chǎn)的 6EHG1-2型號)。將該濾波器一端接入干擾源，負(fù)載端接被干擾設(shè)備，可以抑制電源線上存在的共模EMI信號，使其受到衰減，并控制到很低的電平上。
2．2 電源濾波器的安裝
    在正確選擇濾波器之后，將該電源濾波器加裝在手術(shù)顯微鏡電源輸入端，但產(chǎn)品仍沒有通過傳導(dǎo)干擾測試。分析其原因：先是懷疑濾波器接地不良導(dǎo)致濾波器效果變差。于是把機(jī)箱放在接地平面上，濾波器電源用短線直接接地，結(jié)果仍然沒有改善。經(jīng)過觀察試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中的電源濾波器安裝位置不同，傳導(dǎo)干擾測試結(jié)果有所不同。當(dāng)電源濾波器如圖2(a)所示方式進(jìn)行安裝時(shí)，傳導(dǎo)干擾測試結(jié)果沒有明顯改善；當(dāng)電源濾波器如圖2(b)所示方式進(jìn)行安裝并用金屬螺釘與星形彈簧墊圈把濾波器的屏蔽牢牢地固定在設(shè)備電源入口的機(jī)器金屬外殼上時(shí)，傳導(dǎo)干擾測試數(shù)據(jù)有明顯降低。經(jīng)分析我們發(fā)現(xiàn)，圖2(a)方式安裝會導(dǎo)致濾波器輸入端導(dǎo)線和輸出端導(dǎo)線之間形成電磁耦合路徑，從而在導(dǎo)線中形成串?dāng)_，如果這時(shí)再把濾波器輸入端和輸出端的電纜捆扎在一起，更會加劇濾波器輸入輸出端之間的電磁耦合，嚴(yán)重破壞濾波器和設(shè)備屏蔽對干擾信號的抑制能力，使得濾波器一端的EMI信號會逃脫濾波器對其的限制，不經(jīng)過濾波器的衰減而直接耦合到濾波器的另一端。圖2(b)方式安裝是通過借助設(shè)備的屏蔽，把電源濾波器的輸入端和輸出端有效地隔離開來，把兩端之間可能存在的電磁耦合(即串?dāng)_)控制到最低程度。并且將濾波器安裝在電源進(jìn)線入口面的設(shè)備外殼上，濾波器的屏蔽殼與設(shè)備外殼(設(shè)備外殼接地)接觸良好，使得濾波器接地良好。


    由此可得，濾波器的正確安裝也是防止電磁干擾十分重要的環(huán)節(jié)。采用電源濾波器的目的是防止來自電源的傳導(dǎo)干擾直接進(jìn)入醫(yī)用電氣設(shè)備。如果濾波器安裝不當(dāng)，即使在屏蔽柜內(nèi)，電源線的干擾也會通過輻射或感應(yīng)影響醫(yī)用電氣設(shè)備，因此正確的安裝方法非常重要。
2．3 改進(jìn)措施
    根據(jù)以上理論分析，在該手術(shù)顯微鏡電源輸入端加裝電源濾波器，并保證濾波器輸入、輸出之間的良好隔離，同時(shí)輔助一些內(nèi)部電路的改動(dòng)，再次進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3所示。該產(chǎn)品電源端口的傳導(dǎo)干擾通過ClassB限值的要求。根據(jù)改動(dòng)的方案對該手術(shù)顯微鏡批量生產(chǎn)，每臺產(chǎn)品電磁兼容性測試結(jié)果全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求。



3 結(jié)語
    電源濾波器是為了滿足產(chǎn)品電磁兼容性要求時(shí)常用的器件，將其接入設(shè)備電源線的入口處后，既能有效抑制來自電網(wǎng)的干擾信號進(jìn)入設(shè)備，又能抑制設(shè)備內(nèi)部電路產(chǎn)生的干擾信號通過電源線傳向電網(wǎng)。在醫(yī)用電氣設(shè)備的生產(chǎn)過程中，為了能夠讓電磁兼容性設(shè)計(jì)滿足要求，不僅需要選擇濾波效果良好的電源濾波器，更要針對電磁兼容性要求正確安裝濾波器。