醫(yī)療系統(tǒng)中的USB隔離解決方案

通用個(gè)人電腦(PC)的廣泛普及正在重塑醫(yī)療系統(tǒng)的構(gòu)建方式。這些醫(yī)療系統(tǒng)的核心就是PC，只是采用專門的軟件和針對(duì)醫(yī)療應(yīng)用定制的功能對(duì)其進(jìn)行了配置。這種方法降低了成本，縮短了開發(fā)時(shí)間，因?yàn)樵S多PC組件的價(jià)格已經(jīng)很低。這種技術(shù)還能與其它系統(tǒng)(如服務(wù)技術(shù)人員的筆記本電腦)和外設(shè)(如打印機(jī)、鍵盤和鼠標(biāo))實(shí)現(xiàn)更好的互操作。然而，由于標(biāo)準(zhǔn)PC接口缺少直接、具有成本效益的隔離方案，這種技術(shù)的應(yīng)用有時(shí)會(huì)很受到阻礙。

這是ADI公司的單芯片USB隔離器，利用內(nèi)部穩(wěn)壓器可以在5V USB電源或系統(tǒng)提供的3.3V電源下工作。

RS-232是一種很容易隔離的PC通信端口，但正在被逐步淘汰，讓位于一種更具魯棒性、更高速度的接口USB，而且?guī)н@種接口的外設(shè)已經(jīng)相當(dāng)多。然而，這種接口與RS-232不同，很難進(jìn)行隔離，因?yàn)樗遣罘趾碗p向接口。直到最近，USB隔離還需要使用多個(gè)USB控制器、隔離器和其它元件，不僅增加了成本，而且延長(zhǎng)了開發(fā)時(shí)間?，F(xiàn)在，新的USB隔離技術(shù)已出現(xiàn)，它可將隔離醫(yī)療設(shè)備中USB所需的全部功能集成在一起，不需要額外的元件，無(wú)需修改主機(jī)或外設(shè)軟件就能直接將其插入到USB信號(hào)路徑中。

隔離式接口

醫(yī)療系統(tǒng)使用隔離來(lái)保護(hù)操作人員、病人或系統(tǒng)本身的安全。隔離也能將系統(tǒng)某個(gè)部件產(chǎn)生的噪聲與另一個(gè)對(duì)噪聲更敏感的部件隔離開來(lái)。凡需要安全性的應(yīng)用場(chǎng)合，隔離器件都要受到像UL和IEC等組織設(shè)立的標(biāo)準(zhǔn)約束，所適用的標(biāo)準(zhǔn)取決于具體應(yīng)用。例如，IEC 60601規(guī)定了對(duì)醫(yī)療設(shè)備的安全性要求，而IEC 60950適用于信息技術(shù)設(shè)備。

下面介紹在安全性標(biāo)準(zhǔn)中與醫(yī)療系統(tǒng)的隔離等級(jí)或質(zhì)量有關(guān)的一些特定術(shù)語(yǔ)：

隔離額定值。隔離額定值通常規(guī)定為交流電壓，是指隔離器能夠承受的瞬時(shí)過(guò)電壓。典型值是2.5kV rms、1分鐘，但有更高隔離要求的醫(yī)療系統(tǒng)可能規(guī)定為5kV rms、1分鐘。

工作電壓。工作電壓是指連續(xù)加在隔離上的電壓。與隔離額定值一樣，工作電壓通常也規(guī)定為交流電壓，但隔離阻障需要能夠在整個(gè)工作壽命期間承受這個(gè)電壓。工作電壓典型值約400V rms。

增強(qiáng)型隔離。增強(qiáng)型隔離通常是醫(yī)療系統(tǒng)提出的要求，它規(guī)定的隔離值等效于兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的隔離。這種等效性需要通過(guò)確保隔離阻障能夠承受比如10kV的短時(shí)持續(xù)浪涌電壓來(lái)確定。增強(qiáng)型隔離常見于IEC標(biāo)準(zhǔn)，例如針對(duì)醫(yī)療應(yīng)用的IEC 60601-1。

爬電距離。爬電距離是指沿著隔離阻障兩側(cè)的兩導(dǎo)體之間封裝表面的最短距離。

空隙?？障妒侵竷蓚€(gè)導(dǎo)體之間的最短空氣距離。特定應(yīng)用要求的爬電距離和空隙取決于許多因素，包括安全標(biāo)準(zhǔn)、隔離類型(基本/單或者增強(qiáng)/雙)、工作電壓等。

與病人安全有關(guān)的醫(yī)療設(shè)備一般要求增強(qiáng)型隔離，工作電壓為125V rms或250V rms，爬電距離和間隙為至少8mm。

隔離等級(jí)取決于系統(tǒng)是如何劃分的。圖1給出了帶各種接口的一般醫(yī)療設(shè)備框圖，并標(biāo)出了可以實(shí)現(xiàn)隔離的位置。病人必須與主系統(tǒng)隔離，因此在B、C或D點(diǎn)要求對(duì)病人進(jìn)行安全性隔離。在很多情況下，D點(diǎn)是不需要隔離的，因?yàn)閭鞲衅骰蚱渌O(shè)備必須直接連接病人。在其它情況下，如超聲波設(shè)備，D點(diǎn)的隔離由傳感器頭部的塑料外殼提供。C點(diǎn)的信息仍處于模擬域，因此又要隔離又要保持精度很不經(jīng)濟(jì)。這樣，醫(yī)療設(shè)備中的隔離通常在B點(diǎn)實(shí)施，但這會(huì)使操作人員和外設(shè)處于無(wú)保護(hù)狀態(tài)，因此還需要在其它接口處實(shí)施隔離。