医疗仪器设备中的EMC解决方案
中心议题：
- 干扰的方式、类型及对医疗仪器设备的影响
- 抑制干扰的常用方法及技术
- 抑制干扰的方发及技术在医疗仪器设备中的应用
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。各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响，在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。本文将在分析干扰对医疗仪器设备的影响的基础上，介绍医疗仪器设备抑制干扰的常用方法及干扰抑制技术。
1 干扰的方式、类型及对医疗仪器设备的影响
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。
1.2干扰的类型
现在生产的所有电子设备都包含电磁干扰滤波电路。同样，所有开关型电源都有内部的电磁干扰滤波器。但是，在有些环境中，这些电子器件的电磁干扰滤波器需要辅助滤波器，以便满足更加苛刻的电噪声管制或者保护器件免受过多的外部噪声源干扰。电源干扰的类型包括电压降落、失电、频率偏移、电气噪声、浪涌、谐波失真和瞬变等。
1.3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、丢失等。
2抑制干扰的常用方法
抑制干扰的常用方法是接地和屏蔽，下面将对这两种方法进行详细的介绍。
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。
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上。优点是简单，高频驻波小。缺点是维护量较大。
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，接地线长度达到0.05λ以上的就应采用多点接地。
2.1.2 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，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，放入一根焊有导线直径为1cm~2cm，长为2m~4m的铜棒，然后埋上湿土，把导线路出地面。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，器接地电阻一般可小于4欧姆。
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。
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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。
2.2.1电场屏蔽
仪器设备中电位不同物体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，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，电磁屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一。即用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来，使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施；或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施。
2.2.3电磁场屏蔽
该电路包括耦合至次级绕组中一匝的一反相装置，用于产生与从所述次级绕组感应至阳极的一电压信号的相位相反的相位；一振荡装置，用于振荡从所述反相装置的输出节点输出的电压信号并使经振荡的信号与所述高电压在电平上相匹配；以及一电磁场发生装置，用于施加从所述振荡装置的输出节点输出的一电压信号，产生一电磁场以响应于实质上围绕所述显象管的前部的周围的所述电压信号，并消除和屏蔽从所述阳极产生的所述电磁场。结果，该电路可以较低成本应用于多种尺寸的阴极射线管，由此提出生产效率。
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。
3.2瞬变干扰抑制器
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。
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。前者因压敏电阻对瞬变干扰吸收时的高速性能级，引线越长感应电压越大，后者因压敏电阻的固有电容。
硅瞬变电压吸收二极管：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、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。
固体放电管：固体放电管的特点是响应速度快，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构成的单级线路。如图1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。多个电感串联起来：对于要求较高的滤波器，可以将一个大电感分解成一个较大的电感和若干电感量不同的小电感，将这些电感串联起来，可以使电感的带宽扩展。但这付出的代价是体积和成本。另外要注意与电容并联同样的问题，即引入了额外的串联谐振点。谐振点上电感的阻抗很小。
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。
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3.4隔离变压器
隔离变压器的原理和普通变压器的原理是一样的。都是利用电磁感应原理。隔离变压器一般是指1：1的变压器。由于次级不和地相连。次级任一根线与地之间没有电位差。使用安全。常用作维修电源。
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。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。
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端。例如对50HZ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。
超级隔离变压器：隔离变压器属于安全电源，一般用来机器维修保养用起保护、防雷、滤波作用。 隔离变压器是一种1/1的变压器。初级单相220V，次级也是单相220V。或初级三相380V，次级也是三相380V。首先通常我们用的交流电源电压一根线和大地相连，另一根线与大地之间有220V的电位差。人接触会产生触电。而隔离变压器的次级不与大地相连，它的任意两线与大地之间没有电位差。人接触任意一条线都不会发生触电，这样就比较安全。其次还有隔离变压器的输出端跟输入端是完全“断路”隔离的，这样就有效的对变压器的输入端（电网供给的电源电压）起到了一个良好的过滤的作用。从而给用电设备提供了纯净的电源电压
3.5交流稳压器
由于市电供电压因各种原因而不稳定，特别是有些供电场所电压波动幅度很大，从而影响用电设备的正常工作，还可能造成用电设备损坏，而交流稳压器是一种能够使用电设备的工作电压基本稳定的稳压设备。
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。
铁磁谐振交流稳压电源：能为负载提供稳定交流电源的电子装置。又称交流稳压器。有关交流稳压电源的参数及质量指标可参见直流稳压电源。各种电子设备要求有比较稳定的交流电源供电，特别是当计算机技术应用到各个领域后，采用由交流电网直接供电而不采取任何措施的方式已不能满足需要。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。
参数调整型交流稳压电源：典型的是早年的614系列稳压器。该电源是在614的基础上进行了一定的改进，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，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。
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，调节时会出现许多尖峰和振铃干扰。
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。
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，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、对存在于电网中瞬变干扰抑制能力强。
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。
不间断电源：
①电动机一发动机组主要由直流电动机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，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，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。能器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。
