醫療儀器設備干擾抑制方法和技術探討
2011-10-08
醫療儀器設備怎樣來抑制干擾呢？干擾抑制常用方法和技術是怎樣？醫療儀器設備現代化程度的提高導致各種運行的電力設備之間以電磁傳導、電磁感應 和電磁輻射三種方式彼此關聯并相互影響，在一定的條件下會對運行的設備和人員造成干擾、影響和危害。
1 干擾的方式、類型及對醫療儀器設備的影響
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。如電網的過欠壓、瞬態突變、尖峰等。共模干擾又叫縱模干擾、不對稱干擾和接地干擾，它是指產生于電網與零線之間的干擾，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、零線與地線間的穩態電壓等。串模干擾是指外界磁場電場引起的干擾。
1.2干擾的類型
現在生產的所有電子設備都包含電磁干擾濾波電路。同樣，所有開關型電源都有內部的電磁干擾濾波器。但是，在有些環境中，這些電子器件的 電磁干擾濾波器需要輔助濾波器，以便滿足更加苛刻的電噪聲管制或者保護器件免受過多的外部噪聲源干擾。電源干擾的類型包括電壓降落、失電、頻率偏移、電氣 噪聲、浪涌、諧波失真和瞬變等。
1.3干擾對醫療儀器設備的影響
心腦電圖機、監護儀、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 機系統的醫學儀器設備，當共模干擾中的尖峰干擾幅度達到2V～50V，時間持續數微秒時，可引起計算機邏輯錯誤、丟失等。
2 抑制干擾的常用方法
抑制干擾的常用方法是接地和屏蔽，下面將對這兩種方法進行詳細的介紹。
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。
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，或可能引起環流的公共導線絕緣，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。
②單點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中唯一指定的參考接地點相接。缺點是系統工作頻率很高時呈某種電抗效應，引起接地效果不佳。
③多點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上。優點是簡單，高頻駐波小。缺點是維護量較大。
④混合接地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
①儀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定。
②接大地的方法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，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2m~4m的銅棒，然后埋上 濕土，把導線路出地面。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，器接地電阻一般可小于4歐姆。
醫學儀器設備的接地必須根據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。
2.2.1電場屏蔽
儀器設備中電位不同物體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療設備的輻射區 內，X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，電磁屏蔽是電磁兼 容技術的主要措施之一。即用金屬屏蔽材料將電磁干擾源封閉起來，使其外部電磁場強度低于允許值的一種措施；或用金屬屏蔽材料將電磁敏感電路封閉起來，使其 內部電磁場強度低于允許值的一種措施。
2.2.3電磁場屏蔽
該電路包括耦合至次級繞組中一匝的一反相裝置，用于產生與從所述次級繞組感應至陽極的一電壓信號的相位相反的相位；一振蕩裝置，用于振蕩從所述反相裝置的 輸出節點輸出的電壓信號并使經振蕩的信號與所述高電壓在電平上相匹配；以及一電磁場發生裝置，用于施加從所述振蕩裝置的輸出節點輸出的一電壓信號，產生一 電磁場以響應于實質上圍繞所述顯象管的前部的周圍的所述電壓信號，并消除和屏蔽從所述陽極產生的所述電磁場。結果，該電路可以較低成本應用于多種尺寸的陰 極射線管，由此提出生產效率。
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療儀器設備供電系統。
值得注意的是在現代醫用電子儀器設備系統中，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。
3.2瞬變干擾抑制器
氣體放電管：俗稱避雷管。優點是絕緣電阻高、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。
金屬氧化物壓敏電阻：壓敏電阻的主要參數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。前者因壓敏電阻對 瞬變干擾吸收時的高速性能級，引線越長感應電壓越大，后者因壓敏電阻的固有電容。
硅瞬變電壓吸收二極管：TVS管又叫瞬態電壓抑制電路。當瞬態電壓保護二極管受到反向瞬態高能量沖擊時，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。主要參數是擊穿電 壓、漏電流和電容。特點是響應時間快、浪涌吸收能力高、瞬態功率大、漏電流小、箝位電壓易控制、沒有損傷極限和體積小等。廣泛應用于醫療儀器設備的靜電， 電感性負載切換時產生的瞬變電壓，雷擊產生的過電壓保護。
固體放電管：固體放電管的特點是響應速度快，吸收電流大、動作電壓穩定、使用壽命長。其工作原理是：當外界干擾低于觸發電壓時，放電管處于截止狀態；當干 擾電壓超出觸發電壓時，放電管工作在負阻區。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 低阻區回到高阻區，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。多 個電感串聯起來：對于要求較高的濾波器，可以將一個大電感分解成一個較大的電感和若干電感量不同的小電感，將這些電感串聯起來，可以使電感的帶寬擴展。但 這付出的代價是體積和成本。另外要注意與電容并聯同樣的問題，即引入了額外的串聯諧振點。諧振點上電感的阻抗很小。
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
隔離變壓器的原理和普通變壓器的原理是一樣的。都是利用電磁感應原理。隔離變壓器一般是指1：1的變壓器。由于次級不和地相連。次級任 一根線與地之間沒有電位差。使用安全。常用作維修電源。
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。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。
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，使這部分干擾經由分布電容及屏蔽層與初級中線端的連線直接返回電網，而進入次級回路。
超級隔離變壓器：隔離變壓器屬于安全電源，一般用來機器維修保養用起保護、防雷、濾波作用。 隔離變壓器是一種1/1的變壓器。初級單相220V，次級也是單相220V。或初級三相380V，次級也是三相380V。首先通常我們用的交流電源電壓一 根線和大地相連，另一根線與大地之間有220V的電位差。人接觸會產生觸電。而隔離變壓器的次級不與大地相連，它的任意兩線與大地之間沒有電位差。人接觸 任意一條線都不會發生觸電，這樣就比較安全。其次還有隔離變壓器的輸出端跟輸入端是完全“斷路”隔離的，這樣就有效的對變壓器的輸入端（電網供給的電源電 壓）起到了一個良好的過濾的作用。從而給用電設備提供了純凈的電源電壓
3.5交流穩壓器
由于市電供電壓因各種原因而不穩定，特別是有些供電場所電壓波動幅度很大，從而影響用電設備的正常工作，還可能造成用電設備損壞，而交 流穩壓器是一種能夠使用電設備的工作電壓基本穩定的穩壓設備。
交流穩壓器的作用是在輸入電壓和負載電流變化時，把其輸出電壓穩定在所允許的范圍內。常用的有鐵磁諧振、參數調整型、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壓電源。
鐵磁諧振交流穩壓電源：能為負載提供穩定交流電源的電子裝置。又稱交流穩壓器。有關交流穩壓電源的參數及質量指標可參見直流穩壓電源。各種電子設備要求有 比較穩定的交流電源供電，特別是當計算機技術應用到各個領域后，采用由交流電網直接供電而不采取任何措施的方式已不能滿足需要。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調節的。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，從而使輸出電壓保持穩定不 變。優點是電路簡單、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。
參數調整型交流穩壓電源：典型的是早年的614系列穩壓器。該電源是在614的基礎上進行了一定的改進，工作原理是利用可控硅的相位控制來改變電感的參 數，實現調節使輸出電壓穩定不變。優點是穩壓精度高，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、功率因數較低、有相 移。特別是帶非線性負載時可能有低頻振蕩現象。
伺服型交流穩壓電源：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，調節時會出現許多尖峰和振鈴干擾。
分級調整的寬限交流穩壓電源：該電源和伺服型交流穩壓電源類似，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壓。缺點是穩壓精度不高，在繼電器轉換過程中易產生電火花所帶來的尖峰干擾。
超級隔離變壓器：為了解決了現代電子儀器設備的小型化、數字化和低功耗化，對電網的瞬變干擾尤其敏感的問題，對多抽頭的繞組的控制則采用了無觸點的雙向可 控硅，數字電路或單片機。有時也稱為數控型凈化電源。優點是：穩壓電源的電壓適應范圍寬、對電網或負載變化的響應速度快、對存在于電網中瞬變干擾抑制能力強。
開關型交流穩壓電源：開關型交流穩壓電源采用了先進的高頻開關電源技術。優點：小型、輕量、高效、響應速度快。缺點：復雜、價格昂貴。
不間斷電源：
①電動機一發動機組主要由直流電動機驅動的慣性飛輪和交流發電機組組成。當電網電壓停電時，利用飛輪的慣性儲能，使發電機在短時間內繼續供電；與此同時啟 動備用的柴油發電機組，當油機轉速與發電機組轉速相同時，油機離合器與發電機相連，完成由市電到油機的轉換。它是較早發展的一種不間斷電源。優點：穩定可 靠。缺點：體積大、噪聲大。
②靜態后備式電網正常時，靜態后備式不間斷電源處在旁通狀態，當市電斷電時，才將靜態轉移開關切換到逆變器一側，經過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。優點：簡單、小巧、價格便宜。缺點：輸出電壓直接受電網波動的影響，抗電網中的突變干擾能力差。
③靜態在線式該電源的工作過程是市電先經整流后對蓄電池充電，再由蓄電地給逆變器供電，經逆變、穩壓、穩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不變，當逆變器發生輸出過電壓、過電流或不間斷電源故障時逆變器會自動關閉，并通過靜態轉移開關轉到旁通位置，直接由市電給負載供電。 優點：保護和擴展能力強。該電源的容量較大，三相大功率的常用醫院電子計算機及監護系統。
4 在醫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療診斷、治療儀器設備之中。能器 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，但對周邊環境要求也有很高。
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