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电磁干扰及其对医疗仪器设备的影响与对策

归档日期:06-30       文本归类:反电子干扰      文章编辑:爱尚语录

  电磁干扰及其对医疗仪器设备的影响与对策_电子/电路_工程科技_专业资料。电磁干扰及其对医疗仪器设备的影响与对策 (湖北中医药高等专科学校湖北荆州 434100) 摘要:随着医疗仪器设备现代化程度的进一步提高,由于干扰致使仪器设备不能正常工作,同时有损系统 的现象日趋严重。

  电磁干扰及其对医疗仪器设备的影响与对策 (湖北中医药高等专科学校湖北荆州 434100) 摘要:随着医疗仪器设备现代化程度的进一步提高,由于干扰致使仪器设备不能正常工作,同时有损系统 的现象日趋严重。当电场强度超过 2.4G 时,可以损坏集成电路;如果磁场强度达到 0.03G 时,可以使无屏 蔽的仪器设备误动作。为了有效地抑制干扰,提高仪器设备工作的可靠性,在基层维修人员中宣传、普及 抗电磁干扰知识,特别是抗电源线上的电磁干扰知识尤为重要。本文就其进行重点讨论,诚望有所裨益。 关键词:干扰;干扰方式;干扰类型;防护方法与技术 1 干扰 1.1 干扰的方式 干扰分为差模干扰、共模干扰和串模干扰。差模干扰又叫常模干扰、横模干扰或对称干扰,它是指叠 加在线路电压正弦波上的干扰,是载流导体之间的干扰。如电网的过欠压、瞬态突变、尖峰等。共模干扰 又叫纵模干扰、不对称干扰和接地干扰,它是指产生于电网与零线之间的干扰,是载流导体与大地之间的 干扰,是由辐射或干扰耦合到电路中来的。如尖峰干扰、射频干扰、零线与地线间的稳态电压等。串模干 扰是指外界磁场电场引起的干扰。如变压器漏磁、偏转电场引起的干扰等。 1.2 干扰的类型 电源干扰的类型包括电压降落(如重载接通造成电网电压下降)、失电(如雷电、变压器故障或其它 因素造成的短时停电)、频率偏移(如区域性电网故障或发电机不稳定等)、电气噪声(如开关电源或大 功率逆变设备等产生的电磁骚扰、无线电信号、电厂或工业电弧等)、浪涌(如突然减轻负载、变压器抽 头不当等)、谐波失真(如整流、变频调速和开关电源的工作)和瞬变(如雷击、大功率开关的切换、对 电感性负载的切换)等。 医疗器械之窗 干扰对医疗仪器设备的影响 心脑电图机、监护仪、超声诊断仪、针灸电疗仪或银针直接接触人体的仪器设备等,特别是检测人体 生物电信号的仪器设备,由于信号非常的微弱,如果受到干扰,就会在检测结果如波形、图形、图像上叠 加一种类似于某些病变的畸变造成误诊,同时还会引起微电击,严重时还有生命危险。如果是带有计算机 系统的医学仪器设备,当共模干扰中的尖峰干扰幅度达到 2V~50V,时间持续数微秒时,可引起计算机逻 辑错误、信息丢失等。强磁场会使显像管、X 线影像增强管显示图象变形失真;加速器射线偏移;计算机 磁盘、磁卡记录数据破坏;呼吸机工作失灵;心脏起博器工作失效等。 2 抑制干扰的常用方法 2.1 接地 在阐述接地之前,必须弄清地线与零钱、保护接地和保护接零的基本概念。即:地线是指连接地球通 向大地的金属连接线,而零线是我国电力部门提供的工作线路;保护接地是将仪器设备的金属外壳接上地 线,在外壳由于干扰引起带电时,电流沿地线流入大地,达到保护人身和仪器设备安全的目的。而保护接 零是将仪器设备的金属外壳与电源的零线连接起来,在短路时,立即烧断保险,以达到切断电源的目的。 在这个问题上,不少基层维修人员概念模糊不清,甚至混为一谈,必须予以区别。 2.1.1 仪器设备的信号接地 ①浮地 把电路的“零”电位或设备的“零”电位与公共接地系统,或可能引起环流的公共导线绝缘, 即不接地,使此“零”电位相对于大地的零电位来说是个悬空的“零”电位。常用的方法有变压器隔离和 光电耦合隔离。浮地的优点是抗干扰能力强,缺点是静电积累。当电荷积累到一定程度后,在设备地与公 共地之间的电位差可能引起剧烈地静电放电,而成为破坏性很强的骚扰源。解决的方法是在浮地与公共地 间跨接泄放电阻、阻值的大小以不影响设备漏电流的要求为宜。 ②单点接地 电路和设备中凡需要接地的点都接到被定义的只有一个物理点为接地参考点的点上就称 为单点接地。对一个系统如果采用单点接地,每个设备都要有自己的单点接地点,然后各设备的地再与系 统中唯一指定的参考接地点相接。缺点是系统工作频率很高时呈某种电抗效应,引起接地效果不佳。 ③多点接地 多点接地是指设备中凡需接地的点,都直接接到离它最近的接地平面(底板、专用接地母 线等)上。优点是简单,高频驻波小。缺点是维护量(锈蚀、松动)较大。 ④混合接地 集单点和多点接地之长,把需要就近接地的点,就近直接与接地平面相连或对需要高频接 地的点,通过旁路电容与接地平面相连接,其余各点均采用单点接地。流通信号波长低于 0.05λ 时采用单 点接地,接地线λ 以上的就应采用多点接地。 医疗器械之窗 仪器设备的接大地 ①仪器设备的接大地 在实用中除仪器设备内部的信号接地外,还要将仪器设备的信号地、机壳和大地 接在一起,并以大地作为仪器设备的接地参考点,从而保证了人身安全和电路工作的稳定。 ②接大地的方法 接地电阻的大小是衡量接大地的有效性的重要指标。 它取决于接地电极的制作方式和 大地自身的性质。通常由于地下金属管道(如自来水、暖气、天然气管等)与大地有较大的接触面积,其 接地电阻较小,人们习惯把它作为接地电极。值得注意的是流入管道的故障电流和杂散电流会对管道检修 人员造成伤害。有些暖气管道架设在地下沟道中,与大地接触不良是不宜用来接地。煤气管道、液体燃料 管(如石油管),有爆炸性的气管以及电力线的零线等,则绝对禁止用来接地,以免发生危险。 正确的接大地方法是自行埋设接地电极。先在地面潮湿处,挖一深度为两米以上的坑,放入一根焊有 导线M的铜棒(特殊情况可多根互连成网),然后理上湿土,把导线露出 地面。如果土质干燥。可在铜棒周围填以适量的食盐和水以降低接地电阻,其接地电阻一般可小于 4Ω 。 医学仪器设备的接地必须根据具体仪器设备分别对待,如心电图机、脑电图机、胃电图机、B 超等必 须单机分别接入大地,千万不要接在同一个地方。特别是不要与 X 线机、CT、MRI 等接地线接在同一点上, 否则会通过地线引起极强的干扰,导致无法正常工作。 2.2 屏蔽 为了有效地抑制设备内、外部的辐射电磁能通过空间传播的电磁干扰,通常采取的措施,是屏蔽。具 体有电场、磁场、电磁场屏蔽三种。实践证明:对带有计算机系统的仪器设备,采用屏蔽计算机主机的方 法对电磁干扰和静电产生的干扰有很好的抑制作用。用不同的屏蔽方式和材料其效果也各不相同。例如: 对 1MHz 的干扰,若用金属网屏蔽,屏效可达 40dB,单层铁皮屏蔽,屏效可达 60dB,用双层铁网屏蔽,屏效 可达 100dB。 2.2.1 电场屏蔽 仪器设备中电位不同物体间(包括导线间)的相互感应可看成是分布电容间的电压分配。为了减少干 扰源对被感应物的干扰,通常采取的措施是:增大干扰源与被感应物的距离,减小分布电容;尽可能让被 感应物贴近接地板,增大其对地的电容;在两者间加入金属屏蔽层。屏蔽层必须是导电良好的导体,要有 足够的强度,接地要好。例如心脑电图机、监护仪、针灸电疗仪或银针直接接触人体的仪器设备应远离超 短波治疗机、高频电刀、X 射线机、CT、MRI 及一切能辐射电磁波的医疗设备的辐射区内。我市某医院有一 台 500mAX 线机的高压电缆有一处表皮因其它原因被烤焦,开机后造成其它仪器设备不能正常工作,经过多 次分析和检查,才发现是由此而引起的。可见 X 线机的高压电缆屏蔽层的重要性。 2.2.2 磁场屏蔽 磁场屏蔽是指对直流或低频磁场的屏蔽。其屏蔽原理是利用屏蔽体的高导磁率、低磁阻特性对磁通所 起的磁分路作用,从而削弱屏蔽体内部的磁场。为了减少屏蔽体的磁阻,所用材料必须是高导磁率的,有 一定的厚度的材料。被屏蔽物要尽量放在屏蔽体的中心位置,注意缝隙。通风孔等要顺着磁场方向分布。 对强磁场的屏蔽可采用双层屏蔽体结构。所有材料因磁场强度的强弱而定:当要屏蔽外部强磁场时,外层 屏蔽体用不易滋饱和的(如硅钢)材料;内层则用易饱和的(如坡莫合金)高导磁材料。反之,所用材料 倒过来即可。安装时彼此间的磁路绝缘,无接地要求时用绝缘材料作支撑。有接地要求的可用非铁磁材料 的金属作支撑。因屏蔽体兼有电、磁屏蔽功能,通常是要求接地的。 医疗器械之窗 电磁场屏蔽 电磁场屏蔽的作用是防止电磁场在空间传播。它是利用屏蔽体金属材料对电磁波的反射和吸收作用来 实现的。其过程是:当电磁波达到屏蔽体金属表面时,金属表面就起反射作用,而未被完全反射的电磁波 进入屏蔽体内部时,继续向前传播的过程中会被屏蔽体金属吸收;当部分未被吸收掉的电磁波透过金属到 达屏蔽体的另一表层时,在金属与空气交界上会再次形成反射,重返屏蔽层内部,这样在屏蔽体内部形成 多次反射与吸收。 3 抑制干扰的技术 3.1 专用线路 为了抑制仪器设备间的相互干扰,最简单的方法是采用分相供电制。即:在三线供电线路中认定一相 作为敏感设备的供电电源;一相作为外部设备的供电电源;再一相作为常用测试仪器或其它辅助设备的供 电电源。这种措施常应用在大型的医疗仪器设备供电系统。 值得注意的是在现代医用电子仪器设备系统中,由于配电线路中非线性负载的使用,造成线路中谐波 电流的存在,而零序分量谐波在中线里不能相互抵消,反而叠加,因此过于迁细的中线会造成线路阻抗的 增加,干扰也将增加。同时过细的中线 气体放电管 俗称避雷管。优点是绝缘电阻高、寄生电容小、浪涌吸收能力强。缺点是对浪涌电压的响应速度低。 3.2.2 金属氧化物压敏电阻 压敏电阻的主要参数是标称电压和通流容量。在使用时,压敏电阻的电压选择要考虑被保护线路可能 有的波动电压,一般取 1.2~1.4 倍。如果是交流电路,还要注意电压的有效值与峰值间的关系。例如 220V 时其压敏电阻的标称电压应是 220×1.4×1.4=430V。通流容量应根据所需保护的具体场合进行合理的选 择。使用时除了安装引线不宜过长,还不宜在高频场合使用。前者因压敏电阻对瞬变干扰吸收时的高速性 能(us)级,引线越长感应电压越大,后者因压敏电阻的固有电容(数千~数百 PF)。 3.2.3 硅瞬变电压吸收二极管(TVS 管) TVS 管又叫瞬态电压抑制电路。当瞬态电压保护二极管受到反向瞬态高能量冲击时,以 1×10-12s 的 速度,将其两极间的高阻抗变成低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值, 有效地保护了电子线路的敏感元件。具体又分为单向和双向两种。主要参数是击穿电压、漏电流和电容。 特点是响应时间快(亚 us 级)、浪涌吸收能力高、瞬态功率大、漏电流小、箝位电压易控制、没有损伤极 限和体积小等。广泛应用于医疗仪器设备的静电,电感性负载切换时产生的瞬变电压,雷击产生的过电压 保护。使用时 TVS 管的击穿电压要高于被保护电路工作电压的 10%。 3.2.4 固体放电管 固体放电管的特点是响应速度快(10~20ns 级),吸收电流大、动作电压稳定、使用寿命长。其工作 原理是:当外界干扰低于触发电压时,放电管处于截止状态;当干扰电压超出触发电压时,放电管工作在 负阻区。此时电流极大,使干扰能量转移。随着干扰的减少,通过放电管的电流回落,当干扰电流低于维 持电流时,放电管从低阻区回到高阻区,完成~次放电过程。 3.3 电源线滤波器 电源线滤波器安装在电源与电子设备之间,主要起抑制电能传输中寄生的电磁干扰,提高设备工作可 靠性的作用。常用的由无源集中参数(电感、电容、电阻)构成的单级线 所示。图中 Cx 为差模 电容,起衰减差模干扰的作用。在 220V 交流电源中取为几十~几百 nF,耐压 250VAC。Cy 为共模电容,起 衰减共模干扰的作用。一般取 1nf~4.7nf,耐压 3~6KVDC。L1、L2 为共模电感,其电感量与通过电流的大 小有关,对共模电流有很好的滤波效果。 典型值为几百 nH~几 mH。 起消除滤波器上可能出现的静电积累。 R 滤波器对电磁干扰的抑制作用的好坏不仅与它的设计与实际工作条件有关,还与它的安装情况有关。因此, 安装时一定要确保滤波器外壳与设备的金属外壳接触良好后,再与大地可靠接触,同时,还要考虑输入和 输出线路之间不存在耦合,合理安排滤波器的引线安装位置。最好的办法是电源线不直接进入设备机箱, 而是经过滤波之后再进入,利用机壳的自然屏蔽,把电源线干扰排除在设备之外。 医疗器械之窗 提高滤波器性能的措施:一是使用带地线电感的滤波器。这样可以抑制地线上的干扰。二是采用多级 滤波器。三是滤波器与吸收器件组合使用。四是使用新型软磁材料。五是加接有耗元件。 3.4 隔离变压器 隔离变压器的作用是实现电路的电气隔离,解决由地线环路带来的设备间的相互干扰。 3.4.1 普通隔离变压器 普通隔离变压器在初级与次级间不设屏蔽层,它是通过输入与输出间的电隔离,从而解决公共地的问 题。优点是对共模干扰有一定的抑制作用,其大小可用初次级间的分布电容和设备对地分布电容的比值来 估算。 通常初次级间的分布电容为几百 Pf, 设备对地分布电容为几~几十 nF, 因此共模干扰的衰减值在 10~20 倍左右(20~30dB)。缺点是对共模干扰的抑制效果因绕组间的分布电容随频率升高而下降。 3.4.2 带屏蔽层的隔离变压器 在变压器初次级间增设屏蔽层,并将屏蔽层可靠接地,既可获得较好的抑制共模干扰,也可利用屏蔽 层抑制差模干扰。具体做法是将变压器屏蔽层接至初级的中线HZ 工频来说,由于初级与屏蔽 层构成的容抗很高,仍可通过变压器效应传递到次级,而未被衰减。对频率较高的共模干扰,由于初级与 屏蔽层间容抗变小,使这部分干扰经由分布电容及屏蔽层与初级中线端的连线直接返回电网,而进入次级 回路。 3.4.3 超级隔离变压器 超级隔离变压器就是性能较完善的多重屏蔽隔离变压器。具体有双重屏蔽和三重屏蔽两种。特点是对 共模和差模干扰都有较强的抑制能力。双重的是一个屏蔽层接变压器初级的中线,以降低差模干扰;另一 层接大地,以抑制共模干扰。三重的靠近初级的屏蔽层接初级中线;中间的屏蔽层接变压器的外壳后再接 大地;靠近次级的屏蔽层,接次级的一个端子。 3.5 交流稳压器 交流稳压器的作用是在输入电压和负载电流变化时,把其输出电压稳定在所允许的范围内。常用的有 铁磁谐振、参数调整型、伺服型、分级调整宽度、超级隔离、开关型、不间断和净化等交流稳压电源。 3.5.1 铁磁谐振交流稳压电源 工作原理是靠改变电感的饱和程度,而使电感与电容谐振来实现调节的。当输输入电压因某种因素过 高或过低时,其输出电压可随输入电压的高低通过自动调节,从而使输出电压保持稳定不变。优点是电路 简单、输出阻抗高、过载能力强、可靠性较高。缺点是稳压精度不高、输出电压波形失真大、有相移和噪 声。不适宜启动电流大的负载。 3.5.2 参数调整型交流稳压电源 典型的是早年的 614 系列稳压器。 现已被一种改进型参数调整型交流稳压电源所替代。 该电源是在 614 的基础上进行了一定的改进,特别是利用可控硅调感技术代替了磁放大器。工作原理是利用可控硅的相位 控制来改变电感的参数,实现调节使输出电压稳定不变。优点是稳压精度高(可优于土 1%),同第一种 比较还可以抑制交流输出电压中的部分谐波。缺点是输入侧的电流谐波较大、功率因数较低、有相移。特 别是带非线性负载时可能有低频振荡现象。 3.5.3 伺服型交流稳压电源 该电源就是早期的多抽头自耦式调压变压器。工作原理是监视变压器输出电压的高低的办法来驱动伺 服电动机改变变压器输出抽头的位置, 使输出电压在维持负载所允许的电压范围内。 缺点是响应速度低 (秒 级),调节时会出现许多尖峰和振铃干扰。 医疗器械之窗 分级调整的宽限交流稳压电源 该电源和伺服型交流稳压电源类似,所不同的是多抽头自耦变压器的抽头位置是由继电器转换。由于 该电源价格低廉,输入电压的适应范围较宽,应用于家用电器的交流稳压。缺点是稳压精度不高,在继电 器转换过程中易产生电火花所带来的尖峰干扰。 3.5.5 超级隔离变压器 为了解决了现代电子仪器设备的小型化、数字化和低功耗化,对电网的瞬变干扰尤其敏感的问题,从 而诞生多抽头的超级隔离变压器,俗称净化电源。对多抽头的绕组的控制则采用了无触点的双向可控硅, 数字电路或单片机。有时也称为数控型净化电源。优点是:稳压电源的电压适应范围宽、对电网或负载变 化的响应速度快(小于 10ms)、对存在于电网中瞬变干扰抑制能力强。 3.5.6 开关型交流稳压电源 开关型交流稳压电源采用了先进的高频开关电源技术。优点:小型、轻量、高效、响应速度快。缺点: 复杂、价格昂贵。 3.5.7 不间断电源 不间断电源目前有电动机——发电机组、静态后各式和静态在线式三类。 ①电动机一发动机组 主要由直流电动机(交流电经整流后供电)驱动的惯性飞轮和交流发电机组组 成。当电网电压停电时,利用飞轮的惯性储能,使发电机在短时间内继续供电;与此同时启动备用的柴油 发电机组,当油机转速与发电机组转速相同时,油机离合器与发电机相连,完成由市电到油机的转换。它 是较早发展的一种不间断电源。优点:稳定可靠。缺点:体积大、噪声大。 ②静态后备式 电网正常时,静态后备式不间断电源处在旁通状态,即市电经输入滤波器、静态转移 开关直接输送给负载;与此同时,市电通过充电器向蓄电池充电。这时逆变器不工作。只有当市电断电时, 才将静态转移开关切换到逆变器一侧,经过 2~4ms 后逆变器启动,将蓄电池中储存的电能转换成交流电, 输给负载。优点:简单、小巧、价格便宜。缺点:输出电压直接受电网波动的影响,抗电网中的突变干扰 能力差。 ③静态在线式 该电源的工作过程是市电先经整流后对蓄电池充电,再由蓄电地给逆变器供电,经逆 变、稳压、稳频后为负载供给交流电源。断电时蓄电池不再充电,而逆变器供电的状态不变,所以不间断 电源给负载继续提供交流电源。当逆变器发生输出过电压、过电流或不间断电源故障时逆变器会自动关闭, 并通过静态转移开关转到旁通位置,直接由市电给负载供电。优点:保护和扩展能力强。该电源的容量(几 KVA~几百 KVA)较大,三相大功率的常用医院电子计算机及监护系统。 4 在医疗仪器设备中的应用 上述各种方法和抗干扰技术已广泛应用于心脑电图机、监护仪、超声诊断仪,电子脉冲治疗仪针灸电 疗仪或银针直接接触人体等医疗诊断、治疗仪器设备之中。例如:超声诊断仪电路较为复杂,由换能器(探 头)检测的信号较为微弱,对抗电源干扰有较高要求,若稍不注意就会在信号上叠加干扰信号而无法正确 诊断,机器除了采用了外壳接地,内部特别是对电源部分采用了严格地屏蔽措施,但对周边环境要求也有 很高。例如我市有一家医院购置了一台新的 B 超仪,放置的房间已经远离医院内易产生干扰源,开机后荧 屏上有较强的干扰信号,经过反复分析排查发现是离医院 1KM 处市广播电台的信号引起,后在电源线上绕 了几圈导线(相当于电感)接地后,干扰排除。 ECG—6511、ECG-ll 系列心电图机从电路上看,可以说是医疗仪器设备防干扰措施和抗干扰技术综合 应用的典范。它集机壳接地,放电管、二极管、浮地、屏蔽,变压器隔离,光电耦合为一体。在输入回路 采用了放电管和二极管等组成的高压去颤保护电路,在放大电路前级采用了浮地技术,使前置放大器的地 线和主放大器、主电源(电源变压器)的地线相互隔离。同时为了减少 50Hz 的交流电对共模信号的干扰, 采用了右腿驱动电路。患者的右腿不直接接地、而是通过限流电阻与驱动放大器相连,当患者和地之间由 于干扰或其它原因引起的高电压或漏电时,右腿放大器立即饱和,将高电压和漏电流旁路。另外还采用了 变压器隔离电路,和优先使用交流电源的先进供电电源等。 参考文献 [1] 雷元义.中外心电图机实用技术[M].中国计量出版社,1997,5. [2] 曹宏斌.原器件应用中的静电防护[J].电子元器件应用, 2001, (11)36. [3] 汤会.微系统外部干扰的防护[J].医疗卫生装备, 2003, (11)123. [4] 顾昕元. 电磁干扰的产生与消除方法[J].中国医疗器械杂志,2000,24(5) :300—301。

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