醫療設備的電磁兼容性分析

電磁干擾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。任何電磁干擾的發(fā)生都必然存在干擾能量的傳輸和傳輸途徑（或傳輸通道）。

通常認為電磁干擾傳輸有兩種方式：一種是傳導傳輸方式；另一種是輻射傳輸方式。因此從被干擾的敏感器來(lái)看，干擾耦合可分為傳導耦合和輻射耦合兩大類(lèi)。傳導傳輸必須在干擾源和敏感器之間有完整的電路連接，干擾信號沿著(zhù)這個(gè)連接電路傳遞到敏感器，發(fā)生干擾現象。這個(gè)傳輸電路可包括導線(xiàn)，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?！　?/span>

輻射傳輸是通過(guò)介質(zhì)以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場(chǎng)的規律向周?chē)臻g發(fā)射。常見(jiàn)的輻射耦合由三種：　　

1. 甲天線(xiàn)發(fā)射的電磁波被乙天線(xiàn)意外接受，稱(chēng)為天線(xiàn)對天線(xiàn)耦合；　　

2. 空間電磁場(chǎng)經(jīng)導線(xiàn)感應而耦合，稱(chēng)為場(chǎng)對線(xiàn)的耦合；　

3.兩根平行導線(xiàn)之間的高頻信號感應，稱(chēng)為線(xiàn)對線(xiàn)的感應耦合。在實(shí)際工程中，兩個(gè)設備之間發(fā)生干擾通常包含著(zhù)許多種途徑的耦合。正因為多種途徑的耦合同時(shí)存在，反復交叉耦合，共同產(chǎn)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，使得電磁干擾對其的影響直接關(guān)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(shí)現，使它們更易受電磁干擾的影響，特別是那些抗干攏能力差的（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(huì )影響有效的治療，甚至危及人的生命，有許多這方面的報道?！　?/span>

經(jīng)美國FDA認定的疑為因醫療器械受電磁干攏引發(fā)的事故；植人心臟起搏器的患者在乘坐救護車(chē)急救過(guò)程中，因救護人員使用雙向無(wú)線(xiàn)通訊設備而導致起博失效。病人監護儀受電磁干擾影響，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(guò)度干擾，醫務(wù)人員難以判斷心率，致使病人無(wú)法復蘇?！　?/span>

手機對嬰兒暖箱、輸液泵、人工透析器、心臟起博器、心臟除顫裝置產(chǎn)生的干擾，因此美國的醫院明令禁止在有這類(lèi)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(zhuān)門(mén)設計的報警裝置）受調頻電臺FM發(fā)射的干擾調制波的影響，擾亂了呼吸節律導致報警失靈?！　?/span>

上面的例子僅談了外界的電磁干擾對醫用設備的影響，殊不知現代醫療中使用了各種高頻、射頻發(fā)射機高敏感性電氣，電子元件和部件以及使用射頻能量做為診斷或治療的設備或系統（MAI），其工作時(shí)可能作為一EMI干擾源通過(guò)不同的藕合途徑向周?chē)鷤鞑コ霾煌l率范圍和電磁場(chǎng)強度的有用或無(wú)用的電磁波，無(wú)線(xiàn)電廣播通訊業(yè)務(wù)和周?chē)渌O備的工作，且它們在共同的電磁環(huán)境中，還可能受到周?chē)娏?、電子設備，以及醫療設備之間干擾。所以許多醫用設備既是干擾源又是敏感設備也就是說(shuō)它存在干擾和被干擾兩重性，如此以來(lái)一個(gè)間題值得我們思考，在此復雜的電磁環(huán)境下，醫療設備如何達到一個(gè)既不受或盡量減少受到其它各種電磁干擾的影響，又能盡量減少對其它設備或人體的電磁干擾，從而達到一種平衡，電磁兼性就是這樣的一個(gè)概念?！　?/span>

電磁兼容性（EMC）是指設備或系統在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設備在正常運行過(guò)程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值；另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性?！　?/span>

為實(shí)現在同一電磁環(huán)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(wú)線(xiàn)電通訊工作，又不干擾周?chē)O備的正常工作，就須建立一種規則，既要對設備或系統的抗干擾能力作出規定，即設備的抗干擾度水平不能太低，將發(fā)射電平和抗干擾度電平限制在規定的發(fā)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(huì )向外輻射電磁場(chǎng)，只不過(guò)輻射磁場(chǎng)強大小、頻率不同，場(chǎng)強愈強對外干擾愈強?！　?/span>

發(fā)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(fā)射電平，提高其對電磁環(huán)境的抗擾度能力，兩者兼顧，才能達到設備與環(huán)境的互相協(xié)調?！　?/span>

理論和實(shí)踐的研究表明，不管復雜系統還是簡(jiǎn)單裝置，任何一個(gè)電磁干擾的發(fā)生必須具備三個(gè)基本條件：首先應該具有干擾源；其次有傳播干擾能量的途徑和通道；第三還必須有被干擾對象的響應。在電磁兼容性理論中把被干擾對象統稱(chēng)為敏感設備（或敏感器）。因此干擾源、干擾傳播途徑（或傳輸通道）和敏感設備稱(chēng)為電磁干擾三要素?！　?/span>

對于醫用設備和系統而言，既要求它具有不影響無(wú)線(xiàn)電廣播、電視、無(wú)線(xiàn)電通訊等業(yè)務(wù)或不影響其它設備和系統的基本性能，又要求它對電磁干擾有一定的抗擾度，它的基本性能不受電磁干擾的影響，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干擾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干擾?！　?/span>

電磁騷擾源可分為自然騷擾源和人為騷擾源，自然騷擾源包括地球上各處雷電產(chǎn)生的天電噪聲，太陽(yáng)黑子爆炸和活動(dòng)產(chǎn)生的噪聲等，騷擾源由電器或其它用電裝置產(chǎn)生電磁騷擾，本篇所涉及的多為人為騷擾?！　?/span>

提高敏感設備的抗擾度是實(shí)現電磁兼容的有效手段，醫療設備的抗擾度分為7類(lèi)：　　

（1）靜電放電、（2）射頻輻射、（3）快速舜變脈沖群、（4）浪涌、（5）射頻場(chǎng)感應的傳導、（6）工頻磁場(chǎng)、（7）電壓暫降短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度，提高這7個(gè)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(wèn)題只需從以上3個(gè)要求來(lái)著(zhù)手，控制干擾源的電磁輻射，抑制電磁干擾的傳播途徑，增加敏感設備的抗干擾能力，3個(gè)要素中只要缺少一個(gè)要素，電磁干擾就無(wú)法實(shí)現?！　?/span>

作為一個(gè)醫用設備的用戶(hù)，我們更多的是考慮系統間的電磁兼容性的問(wèn)題，系統間的兼容性技術(shù)也是通過(guò)屏蔽，接地和濾波等技術(shù)實(shí)現，只不過(guò)實(shí)施方法不同?！　?/span>

屏蔽

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?！　?/span>

系統間的屏蔽是對兩個(gè)空間區域進(jìn)行金屬隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區域對另一區域感應和輻射，其目的是隔斷電磁場(chǎng)的r合途徑。它有兩個(gè)方面：一是將敏感設備或系統用屏蔽體包圍起來(lái)，防止受外界磁場(chǎng)的干擾。另一方面是將干擾源屏蔽起來(lái)，防止干擾磁場(chǎng)向外擴散，影響其它的無(wú)線(xiàn)設備或人體。對干擾源和敏感電器進(jìn)行屏蔽，是利用屏蔽體阻止高頻電磁場(chǎng)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?！　?/span>

屏蔽體對來(lái)自外部或內部的電磁波場(chǎng)有著(zhù)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(chǎn)生反向電磁場(chǎng)，抵消部分干擾電磁波）的作用，達到減弱干擾的功能。當電磁場(chǎng)頻率較低時(shí)，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(xiàn)限制在屏蔽體內，防止向外擴散。當干擾電磁場(chǎng)頻率較高時(shí)，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，利用高頻干擾電磁場(chǎng)，在屏蔽金屬內產(chǎn)生的渦流，形成對外來(lái)電磁波的抵消作用?！　?/span>

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(wú)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(fēng)空洞、電源線(xiàn)、信號線(xiàn)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(shí)踐上我們采用增加縫隙深度，減小縫隙長(cháng)度，在縫隙中輥人導電襯墊或涂上導電涂料等都是十分有效的方法。通風(fēng)洞孔也是屏蔽效果好壞的關(guān)鍵點(diǎn)，為提高通風(fēng)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(wǎng)，采用屏蔽電纜做信號線(xiàn)和電源線(xiàn)，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?！　?/span>

接地

接地技術(shù)接地技術(shù)的引入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(chǎn)生的雷擊電流通過(guò)避雷針引入到大地，從而起到保護建筑物的作用。同時(shí)，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(xiàn)（如電線(xiàn)絕緣不良，線(xiàn)路老化等）和設備外殼碰觸時(shí)，設備的外殼就會(huì )有危險電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會(huì )流經(jīng)PE線(xiàn)到大地，從而起到保護作用?！　?/span>

隨著(zhù)電子通信和其它數字領(lǐng)域的發(fā)展，在接地系統中只考慮防雷和安全已遠遠不能滿(mǎn)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(gè)基準''''''''地''''''''作為信號的參考地。而且隨著(zhù)電子設備的復雜化，信號頻率越來(lái)越高，因此，在接地設計中，信號之間的互擾等電磁兼容問(wèn)題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當就會(huì )嚴重影響系統運行的可靠性和穩定性。近，高速信號的信號回流技術(shù)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(fā)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(xiàn)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(jīng)該地線(xiàn)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干擾，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(chǎn)生干擾、電路輻射電場(chǎng)或對外界電場(chǎng)敏感，必須進(jìn)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(xiàn)和電源線(xiàn)接地的旁路電容，當濾波器不接地時(shí)，這些電容就處于懸浮狀態(tài)，起不到旁路作用，（3）噪聲干擾抑制，對內部噪聲和外部干擾的控制需要設備或系統上許多點(diǎn)與地相連，從而為干擾信號提供"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(gè)公共電位參考點(diǎn)，這個(gè)公共電位參考點(diǎn)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(lèi)，它們是將所有電路按信號特性分類(lèi)分別接地，形成四個(gè)獨立接地系統，每個(gè)"地"子系統采用不同接地方式?！　?/span>

第1類(lèi)，敏感信號和小信號地線(xiàn)系統，這些電路工作電平低，信號幅度弱，容易受干擾失效或降級，其地線(xiàn)應避免混雜于其他電路中?！　?/span>

第2類(lèi)，不敏感信號和大信號地線(xiàn)系統，這些電路中工作電流大，地線(xiàn)系統電流也大，須與小信號電路的地線(xiàn)分開(kāi)，否則將通過(guò)地線(xiàn)的r合作用對小信號電路造成干擾?！　?/span>

第3類(lèi)，干擾源源設備的地系統，這類(lèi)設備工作時(shí)產(chǎn)生火花或沖擊電流等，往往對電子電路產(chǎn)生嚴重干擾，除要采用屏蔽隔離技術(shù)外，地線(xiàn)須與電子電路分開(kāi)設置?！　?/span>

第4類(lèi)，金屬構件為防止發(fā)生人身觸電事故，外界電磁場(chǎng)的干擾及摩擦產(chǎn)生靜電等須將機殼接地?！　?/span>

同類(lèi)電路中，根據接地點(diǎn)連接方式不同，又分為單點(diǎn)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(diǎn)之間的地阻干擾）；多點(diǎn)接地，對于高頻{>lOMHz）和公共接地面尺寸大的情況，單點(diǎn)和多點(diǎn)混合接地：適用于頻率在1MHz-lOMHzo 懸浮接地，可以防止機箱上的干擾電流直接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(huì )產(chǎn)生靜電放電，變壓器和光電藕器就是典型的浮地?！　?/span>

濾波　

濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。根據觀(guān)察某一隨機過(guò)程的結果，對另一與之有關(guān)的隨機過(guò)程進(jìn)行估計的概率理論與方法。濾波一詞起源于通信理論，它是從含有干擾的接收信號中提取有用信號的一種技術(shù)。"接收信號"相當于被觀(guān)測的隨機過(guò)程，"有用信號"相當于被估計的隨機過(guò)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干擾，如何利用這些數據盡可能準確地估計出飛機在每一時(shí)刻的位置、速度、加速度等，并預測飛機未來(lái)的位置，就是一個(gè)濾波與預測問(wèn)題。這類(lèi)問(wèn)題在電子技術(shù)、航天科學(xué)、控制工程及其他科學(xué)技術(shù)部門(mén)中都是大量存在的。原來(lái)初考慮的是維納濾波，后來(lái)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?，F對一般的非線(xiàn)性濾波問(wèn)題的研究相當活躍?！　?/span>

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(jìn)行必要的電磁兼容（EMC）知識的學(xué)習培訓，按照使用現場(chǎng)的電磁環(huán)境選購符合EMC要求的產(chǎn)品并正確地按設備使用說(shuō)明書(shū)或技術(shù)說(shuō)明書(shū)安裝、操作，為了廣大公眾的健康和安全，應讓其能按照設計，不受干擾正常運行。