電磁干擾對醫(yī)療儀器設備的影響與對策 - 全文

　　隨著醫(yī)療儀器設備現(xiàn)代化程度的進一步提高，由于干擾致使儀器設備不能正常工作，同時有損系統(tǒng)的現(xiàn)象日趨嚴重。當電場強度超過2.4G時，可以損壞集成電路；如果磁場強度達到0.03G時，可以使無屏蔽的儀器設備誤動作。為了有效地抑制干擾，提高儀器設備工作的可靠性，在基層維修人員中宣傳、普及抗電磁干擾知識，特別是抗電源線上的電磁干擾知識尤為重要。本文就其進行重點討論，誠望有所裨益。

　　1 干擾

　　1.1 干擾的方式

　　干擾分為差模干擾、共模干擾和串模干擾。差模干擾又叫常模干擾、橫模干擾或對稱干擾，它是指疊加在線路電壓正弦波上的干擾，是載流導體之間的干擾。如電網(wǎng)的過欠壓、瞬態(tài)突變、尖峰等。共模干擾又叫縱模干擾、不對稱干擾和接地干擾，它是指產(chǎn)生于電網(wǎng)與零線之間的干擾，是載流導體與大地之間的干擾，是由輻射或干擾耦合到電路中來的。如尖峰干擾、射頻干擾、零線與地線間的穩(wěn)態(tài)電壓等。串模干擾是指外界磁場電場引起的干擾。如變壓器漏磁、偏轉電場引起的干擾等。

　　1.2 干擾的類型

　　電源干擾的類型包括電壓降落（如重載接通造成電網(wǎng)電壓下降）、失電（如雷電、變壓器故障或其它因素造成的短時停電）、頻率偏移（如區(qū)域性電網(wǎng)故障或發(fā)電機不穩(wěn)定等）、電氣噪聲（如開關電源或大功率逆變設備等產(chǎn)生的電磁騷擾、無線電信號、電廠或工業(yè)電弧等）、浪涌（如突然減輕負載、變壓器抽頭不當?shù)龋?、諧波失真（如整流、變頻調速和開關電源的工作）和瞬變（如雷擊、大功率開關的切換、對電感性負載的切換）等。

　　1.3 干擾對醫(yī)療儀器設備的影響

　　心腦電圖機、監(jiān)護儀、超聲診斷儀、針灸電療儀或銀針直接接觸人體的儀器設備等，特別是檢測人體生物電信號的儀器設備，由于信號非常的微弱，如果受到干擾，就會在檢測結果如波形、圖形、圖像上疊加一種類似于某些病變的畸變造成誤診，同時還會引起微電擊，嚴重時還有生命危險。如果是帶有計算機系統(tǒng)的醫(yī)學儀器設備，當共模干擾中的尖峰干擾幅度達到2V～50V，時間持續(xù)數(shù)微秒時，可引起計算機邏輯錯誤、信息丟失等。強磁場會使顯像管、X線影像增強管顯示圖象變形失真；加速器射線偏移；計算機磁盤、磁卡記錄數(shù)據(jù)破壞；呼吸機工作失靈；心臟起博器工作失效等。

　　2 抑制干擾的常用方法

　　2.1接地

　　在闡述接地之前，必須弄清地線與零錢、保護接地和保護接零的基本概念。即：地線是指連接地球通向大地的金屬連接線，而零線是我國電力部門提供的工作線路；保護接地是將儀器設備的金屬外殼接上地線，在外殼由于干擾引起帶電時，電流沿地線流入大地，達到保護人身和儀器設備安全的目的。而保護接零是將儀器設備的金屬外殼與電源的零線連接起來，在短路時，立即燒斷保險，以達到切斷電源的目的。在這個問題上，不少基層維修人員概念模糊不清，甚至混為一談，必須予以區(qū)別。

　　2.1.1 儀器設備的信號接地

　　①浮地 把電路的“零”電位或設備的“零”電位與公共接地系統(tǒng)，或可能引起環(huán)流的公共導線絕緣，即不接地，使此“零”電位相對于大地的零電位來說是個懸空的“零” 電位。常用的方法有變壓器隔離和光電耦合隔離。浮地的優(yōu)點是抗干擾能力強，缺點是靜電積累。當電荷積累到一定程度后，在設備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈地靜電放電，而成為破壞性很強的騷擾源。解決的方法是在浮地與公共地間跨接泄放電阻、阻值的大小以不影響設備漏電流的要求為宜。

　?、趩吸c接地 電路和設備中凡需要接地的點都接到被定義的只有一個物理點為接地參考點的點上就稱為單點接地。對一個系統(tǒng)如果采用單點接地，每個設備都要有自己的單點接地點，然后各設備的地再與系統(tǒng)中唯一指定的參考接地點相接。缺點是系統(tǒng)工作頻率很高時呈某種電抗效應，引起接地效果不佳。

　?、鄱帱c接地 多點接地是指設備中凡需接地的點，都直接接到離它最近的接地平面（底板、專用接地母線等）上。優(yōu)點是簡單，高頻駐波小。缺點是維護量（銹蝕、松動）較大。

　?、芑旌辖拥?集單點和多點接地之長，把需要就近接地的點，就近直接與接地平面相連或對需要高頻接地的點，通過旁路電容與接地平面相連接，其余各點均采用單點接地。流通信號波長低于0.05λ時采用單點接地，接地線長度達到 0.05λ以上的就應采用多點接地。

　　2.1.2 儀器設備的接大地

　?、賰x器設備的接大地 在實用中除儀器設備內部的信號接地外，還要將儀器設備的信號地、機殼和大地接在一起，并以大地作為儀器設備的接地參考點，從而保證了人身安全和電路工作的穩(wěn)定。

　?、诮哟蟮氐姆椒?接地電阻的大小是衡量接大地的有效性的重要指標。它取決于接地電極的制作方式和大地自身的性質。通常由于地下金屬管道（如自來水、暖氣、天然氣管等）與大地有較大的接觸面積，其接地電阻較小，人們習慣把它作為接地電極。值得注意的是流入管道的故障電流和雜散電流會對管道檢修人員造成傷害。有些暖氣管道架設在地下溝道中，與大地接觸不良是不宜用來接地。煤氣管道、液體燃料管（如石油管），有爆炸性的氣管以及電力線的零線等，則絕對禁止用來接地，以免發(fā)生危險。

　　正確的接大地方法是自行埋設接地電極。先在地面潮濕處，挖一深度為兩米以上的坑，放入一根焊有導線直徑為1cm～2cm，長為2 M～４Ｍ的銅棒（特殊情況可多根互連成網(wǎng)），然后理上濕土，把導線露出地面。如果土質干燥。可在銅棒周圍填以適量的食鹽和水以降低接地電阻，其接地電阻一般可小于4Ω。

　　醫(yī)學儀器設備的接地必須根據(jù)具體儀器設備分別對待，如心電圖機、腦電圖機、胃電圖機、B超等必須單機分別接入大地，千萬不要接在同一個地方。特別是不要與X線機、CT、MRI等接地線接在同一點上，否則會通過地線引起極強的干擾，導致無法正常工作。

　　2.2 屏蔽

　　為了有效地抑制設備內、外部的輻射電磁能通過空間傳播的電磁干擾，通常采取的措施，是屏蔽。具體有電場、磁場、電磁場屏蔽三種。實踐證明：對帶有計算機系統(tǒng)的儀器設備，采用屏蔽計算機主機的方法對電磁干擾和靜電產(chǎn)生的干擾有很好的抑制作用。用不同的屏蔽方式和材料其效果也各不相同。例如：對1MHz的干擾，若用金屬網(wǎng)屏蔽，屏效可達40dB，單層鐵皮屏蔽，屏效可達60dB，用雙層鐵網(wǎng)屏蔽，屏效可達100dB。

　　2.2.1 電場屏蔽

　　儀器設備中電位不同物體間（包括導線間）的相互感應可看成是分布電容間的電壓分配。為了減少干擾源對被感應物的干擾，通常采取的措施是：增大干擾源與被感應物的距離，減小分布電容；盡可能讓被感應物貼近接地板，增大其對地的電容；在兩者間加入金屬屏蔽層。屏蔽層必須是導電良好的導體，要有足夠的強度，接地要好。例如心腦電圖機、監(jiān)護儀、針灸電療儀或銀針直接接觸人體的儀器設備應遠離超短波治療機、高頻電刀、X射線機、CT、MRI及一切能輻射電磁波的醫(yī)療設備的輻射區(qū)內。我市某醫(yī)院有一臺500mAX線機的高壓電纜有一處表皮因其它原因被烤焦，開機后造成其它儀器設備不能正常工作，經(jīng)過多次分析和檢查，才發(fā)現(xiàn)是由此而引起的?？梢奨線機的高壓電纜屏蔽層的重要性。

　　2.2.2 磁場屏蔽

　　磁場屏蔽是指對直流或低頻磁場的屏蔽。其屏蔽原理是利用屏蔽體的高導磁率、低磁阻特性對磁通所起的磁分路作用，從而削弱屏蔽體內部的磁場。為了減少屏蔽體的磁阻，所用材料必須是高導磁率的，有一定的厚度的材料。被屏蔽物要盡量放在屏蔽體的中心位置，注意縫隙。通風孔等要順著磁場方向分布。對強磁場的屏蔽可采用雙層屏蔽體結構。所有材料因磁場強度的強弱而定：當要屏蔽外部強磁場時，外層屏蔽體用不易滋飽和的（如硅鋼）材料；內層則用易飽和的（如坡莫合金）高導磁材料。反之，所用材料倒過來即可。安裝時彼此間的磁路絕緣，無接地要求時用絕緣材料作支撐。有接地要求的可用非鐵磁材料的金屬作支撐。因屏蔽體兼有電、磁屏蔽功能，通常是要求接地的。

　　2.2.3 電磁場屏蔽

　　電磁場屏蔽的作用是防止電磁場在空間傳播。它是利用屏蔽體金屬材料對電磁波的反射和吸收作用來實現(xiàn)的。其過程是：當電磁波達到屏蔽體金屬表面時，金屬表面就起反射作用，而未被完全反射的電磁波進入屏蔽體內部時，繼續(xù)向前傳播的過程中會被屏蔽體金屬吸收；當部分未被吸收掉的電磁波透過金屬到達屏蔽體的另一表層時，在金屬與空氣交界上會再次形成反射，重返屏蔽層內部，這樣在屏蔽體內部形成多次反射與吸收。

　　3 抑制干擾的技術

　　3.1 專用線路

　　為了抑制儀器設備間的相互干擾，最簡單的方法是采用分相供電制。即：在三線供電線路中認定一相作為敏感設備的供電電源；一相作為外部設備的供電電源；再一相作為常用測試儀器或其它輔助設備的供電電源。這種措施常應用在大型的醫(yī)療儀器設備供電系統(tǒng)。

　　值得注意的是在現(xiàn)代醫(yī)用電子儀器設備系統(tǒng)中，由于配電線路中非線性負載的使用，造成線路中諧波電流的存在，而零序分量諧波在中線里不能相互抵消，反而疊加，因此過于遷細的中線會造成線路阻抗的增加，干擾也將增加。同時過細的中線還會造成中線過熱。

　　3.2 瞬變干擾抑制器

　　3.2.1 氣體放電管

　　俗稱避雷管。優(yōu)點是絕緣電阻高、寄生電容小、浪涌吸收能力強。缺點是對浪涌電壓的響應速度低。

　　3.2.2 金屬氧化物壓敏電阻

　　壓敏電阻的主要參數(shù)是標稱電壓和通流容量。在使用時，壓敏電阻的電壓選擇要考慮被保護線路可能有的波動電壓，一般取1.2～1.4倍。如果是交流電路，還要注意電壓的有效值與峰值間的關系。例如220V時其壓敏電阻的標稱電壓應是220×1.4×1.4＝430V。通流容量應根據(jù)所需保護的具體場合進行合理的選擇。使用時除了安裝引線不宜過長，還不宜在高頻場合使用。前者因壓敏電阻對瞬變干擾吸收時的高速性能（us）級，引線越長感應電壓越大，后者因壓敏電阻的固有電容（數(shù)千～數(shù)百PF）。

　　3.2.3 硅瞬變電壓吸收二極管（TVS管）

　　TVS管又叫瞬態(tài)電壓抑制電路。當瞬態(tài)電壓保護二極管受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，以1×10－12s的速度，將其兩極間的高阻抗變成低阻抗，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護了電子線路的敏感元件。具體又分為單向和雙向兩種。主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。特點是響應時間快（亞us級）、浪涌吸收能力高、瞬態(tài)功率大、漏電流小、箝位電壓易控制、沒有損傷極限和體積小等。廣泛應用于醫(yī)療儀器設備的靜電，電感性負載切換時產(chǎn)生的瞬變電壓，雷擊產(chǎn)生的過電壓保護。使用時TVS管的擊穿電壓要高于被保護電路工作電壓的10％。

　　3.2.4 固體放電管

　　固體放電管的特點是響應速度快（10～20ns級），吸收電流大、動作電壓穩(wěn)定、使用壽命長。其工作原理是：當外界干擾低于觸發(fā)電壓時，放電管處于截止狀態(tài)；當干擾電壓超出觸發(fā)電壓時，放電管工作在負阻區(qū)。此時電流極大，使干擾能量轉移。隨著干擾的減少，通過放電管的電流回落，當干擾電流低于維持電流時，放電管從低阻區(qū)回到高阻區(qū)，完成～次放電過程。

　　3.3 電源線濾波器

　　電源線濾波器安裝在電源與電子設備之間，主要起抑制電能傳輸中寄生的電磁干擾，提高設備工作可靠性的作用。常用的由無源集中參數(shù)（電感、電容、電阻）構成的單級線路。如圖1所示。圖中Cx為差模電容，起衰減差模干擾的作用。在220V交流電源中取為幾十～幾百nF，耐壓250VAC。Cy為共模電容，起衰減共模干擾的作用。一般取1nf“4.7nf，耐壓3”6KVDC。L1、L2為共模電感，其電感量與通過電流的大小有關，對共模電流有很好的濾波效果。典型值為幾百nH～幾mH。R起消除濾波器上可能出現(xiàn)的靜電積累。濾波器對電磁干擾的抑制作用的好壞不僅與它的設計與實際工作條件有關，還與它的安裝情況有關。因此，安裝時一定要確保濾波器外殼與設備的金屬外殼接觸良好后，再與大地可靠接觸，同時，還要考慮輸入和輸出線路之間不存在耦合，合理安排濾波器的引線安裝位置。最好的辦法是電源線不直接進入設備機箱，而是經(jīng)過濾波之后再進入，利用機殼的自然屏蔽，把電源線干擾排除在設備之外。

　　提高濾波器性能的措施：一是使用帶地線電感的濾波器。這樣可以抑制地線上的干擾。二是采用多級濾波器。三是濾波器與吸收器件組合使用。四是使用新型軟磁材料。五是加接有耗元件。

　　3.4 隔離變壓器

　　隔離變壓器的作用是實現(xiàn)電路的電氣隔離，解決由地線環(huán)路帶來的設備間的相互干擾。

　　3.4.1 普通隔離變壓器

　　普通隔離變壓器在初級與次級間不設屏蔽層，它是通過輸入與輸出間的電隔離，從而解決公共地的問題。優(yōu)點是對共模干擾有一定的抑制作用，其大小可用初次級間的分布電容和設備對地分布電容的比值來估算。通常初次級間的分布電容為幾百Pf，設備對地分布電容為幾“幾十nF，因此共模干擾的衰減值在10”20倍左右（20“30dB）。缺點是對共模干擾的抑制效果因繞組間的分布電容隨頻率升高而下降。

　　3.4.2 帶屏蔽層的隔離變壓器

　　在變壓器初次級間增設屏蔽層，并將屏蔽層可靠接地，既可獲得較好的抑制共模干擾，也可利用屏蔽層抑制差模干擾。具體做法是將變壓器屏蔽層接至初級的中線端。例如對50HZ工頻來說，由于初級與屏蔽層構成的容抗很高，仍可通過變壓器效應傳遞到次級，而未被衰減。對頻率較高的共模干擾，由于初級與屏蔽層間容抗變小，使這部分干擾經(jīng)由分布電容及屏蔽層與初級中線端的連線直接返回電網(wǎng)，而進入次級回路。

　　3.4.3 超級隔離變壓器

　　超級隔離變壓器就是性能較完善的多重屏蔽隔離變壓器。具體有雙重屏蔽和三重屏蔽兩種。特點是對共模和差模干擾都有較強的抑制能力。雙重的是一個屏蔽層接變壓器初級的中線，以降低差模干擾；另一層接大地，以抑制共模干擾。三重的靠近初級的屏蔽層接初級中線；中間的屏蔽層接變壓器的外殼后再接大地；靠近次級的屏蔽層，接次級的一個端子。

　　3.5 交流穩(wěn)壓器

　　交流穩(wěn)壓器的作用是在輸入電壓和負載電流變化時，把其輸出電壓穩(wěn)定在所允許的范圍內。常用的有鐵磁諧振、參數(shù)調整型、伺服型、分級調整寬度、超級隔離、開關型、不間斷和凈化等交流穩(wěn)壓電源。

　　3.5.1 鐵磁諧振交流穩(wěn)壓電源

　　工作原理是靠改變電感的飽和程度，而使電感與電容諧振來實現(xiàn)調節(jié)的。當輸輸入電壓因某種因素過高或過低時，其輸出電壓可隨輸入電壓的高低通過自動調節(jié)，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定不變。優(yōu)點是電路簡單、輸出阻抗高、過載能力強、可靠性較高。缺點是穩(wěn)壓精度不高、輸出電壓波形失真大、有相移和噪聲。不適宜啟動電流大的負載。

　　3.5.2 參數(shù)調整型交流穩(wěn)壓電源

　　典型的是早年的614系列穩(wěn)壓器?，F(xiàn)已被一種改進型參數(shù)調整型交流穩(wěn)壓電源所替代。該電源是在614的基礎上進行了一定的改進，特別是利用可控硅調感技術代替了磁放大器。工作原理是利用可控硅的相位控制來改變電感的參數(shù)，實現(xiàn)調節(jié)使輸出電壓穩(wěn)定不變。優(yōu)點是穩(wěn)壓精度高（可優(yōu)于土1％），同第一種比較還可以抑制交流輸出電壓中的部分諧波。缺點是輸入側的電流諧波較大、功率因數(shù)較低、有相移。特別是帶非線性負載時可能有低頻振蕩現(xiàn)象。

　　3.5.3 伺服型交流穩(wěn)壓電源

　　該電源就是早期的多抽頭自耦式調壓變壓器。工作原理是監(jiān)視變壓器輸出電壓的高低的辦法來驅動伺服電動機改變變壓器輸出抽頭的位置，使輸出電壓在維持負載所允許的電壓范圍內。缺點是響應速度低（秒級），調節(jié)時會出現(xiàn)許多尖峰和振鈴干擾。

　　3.5.4 分級調整的寬限交流穩(wěn)壓電源

　　該電源和伺服型交流穩(wěn)壓電源類似，所不同的是多抽頭自耦變壓器的抽頭位置是由繼電器轉換。由于該電源價格低廉，輸入電壓的適應范圍較寬，應用于家用電器的交流穩(wěn)壓。缺點是穩(wěn)壓精度不高，在繼電器轉換過程中易產(chǎn)生電火花所帶來的尖峰干擾。

　　3.5.5 超級隔離變壓器

　　為了解決了現(xiàn)代電子儀器設備的小型化、數(shù)字化和低功耗化，對電網(wǎng)的瞬變干擾尤其敏感的問題，從而誕生多抽頭的超級隔離變壓器，俗稱凈化電源。對多抽頭的繞組的控制則采用了無觸點的雙向可控硅，數(shù)字電路或單片機。有時也稱為數(shù)控型凈化電源。優(yōu)點是：穩(wěn)壓電源的電壓適應范圍寬、對電網(wǎng)或負載變化的響應速度快（小于10ms）、對存在于電網(wǎng)中瞬變干擾抑制能力強。

　　3.5.6 開關型交流穩(wěn)壓電源

　　開關型交流穩(wěn)壓電源采用了先進的高頻開關電源技術。優(yōu)點：小型、輕量、高效、響應速度快。缺點：復雜、價格昂貴。

　　3.5.7 不間斷電源

　　不間斷電源目前有電動機——發(fā)電機組、靜態(tài)后各式和靜態(tài)在線式三類。

　?、匐妱訖C一發(fā)動機組　主要由直流電動機（交流電經(jīng)整流后供電）驅動的慣性飛輪和交流發(fā)電機組組成。當電網(wǎng)電壓停電時，利用飛輪的慣性儲能，使發(fā)電機在短時間內繼續(xù)供電；與此同時啟動備用的柴油發(fā)電機組，當油機轉速與發(fā)電機組轉速相同時，油機離合器與發(fā)電機相連，完成由市電到油機的轉換。它是較早發(fā)展的一種不間斷電源。優(yōu)點：穩(wěn)定可靠。缺點：體積大、噪聲大。

　?、陟o態(tài)后備式　電網(wǎng)正常時，靜態(tài)后備式不間斷電源處在旁通狀態(tài)，即市電經(jīng)輸入濾波器、靜態(tài)轉移開關直接輸送給負載；與此同時，市電通過充電器向蓄電池充電。這時逆變器不工作。只有當市電斷電時，才將靜態(tài)轉移開關切換到逆變器一側，經(jīng)過2”4ms后逆變器啟動，將蓄電池中儲存的電能轉換成交流電，輸給負載。優(yōu)點：簡單、小巧、價格便宜。缺點：輸出電壓直接受電網(wǎng)波動的影響，抗電網(wǎng)中的突變干擾能力差。

　?、垤o態(tài)在線式　該電源的工作過程是市電先經(jīng)整流后對蓄電池充電，再由蓄電地給逆變器供電，經(jīng)逆變、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻后為負載供給交流電源。斷電時蓄電池不再充電，而逆變器供電的狀態(tài)不變，所以不間斷電源給負載繼續(xù)提供交流電源。當逆變器發(fā)生輸出過電壓、過電流或不間斷電源故障時逆變器會自動關閉，并通過靜態(tài)轉移開關轉到旁通位置，直接由市電給負載供電。優(yōu)點：保護和擴展能力強。該電源的容量（幾KVA～幾百KVA）較大，三相大功率的常用醫(yī)院電子計算機及監(jiān)護系統(tǒng)。

　　4 在醫(yī)療儀器設備中的應用

　　上述各種方法和抗干擾技術已廣泛應用于心腦電圖機、監(jiān)護儀、超聲診斷儀，電子脈沖治療儀針灸電療儀或銀針直接接觸人體等醫(yī)療診斷、治療儀器設備之中。例如：超聲診斷儀電路較為復雜，由換能器（探頭）檢測的信號較為微弱，對抗電源干擾有較高要求，若稍不注意就會在信號上疊加干擾信號而無法正確診斷，機器除了采用了外殼接地，內部特別是對電源部分采用了嚴格地屏蔽措施，但對周邊環(huán)境要求也有很高。例如我市有一家醫(yī)院購置了一臺新的B超儀，放置的房間已經(jīng)遠離醫(yī)院內易產(chǎn)生干擾源，開機后熒屏上有較強的干擾信號，經(jīng)過反復分析排查發(fā)現(xiàn)是離醫(yī)院1KM處市廣播電臺的信號引起，后在電源線上繞了幾圈導線（相當于電感）接地后，干擾排除。

　　ECG—6511、ECG－ll系列心電圖機從電路上看，可以說是醫(yī)療儀器設備防干擾措施和抗干擾技術綜合應用的典范。它集機殼接地，放電管、二極管、浮地、屏蔽，變壓器隔離，光電耦合為一體。在輸入回路采用了放電管和二極管等組成的高壓去顫保護電路，在放大電路前級采用了浮地技術，使前置放大器的地線和主放大器、主電源（電源變壓器）的地線相互隔離。同時為了減少50Hz的交流電對共模信號的干擾，采用了右腿驅動電路。患者的右腿不直接接地、而是通過限流電阻與驅動放大器相連，當患者和地之間由于干擾或其它原因引起的高電壓或漏電時，右腿放大器立即飽和，將高電壓和漏電流旁路。另外還采用了變壓器隔離電路，和優(yōu)先使用交流電源的先進供電電源等。

　　總而言之，在實際工作中要根據(jù)具體情況進行具體分析，機動靈活加以運用。