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1、医疗电子仪器使用中的干扰及抑制方法 刘正明 李斌山 解放军 1 医院医学工程科 摘 要： 目的:探讨抑制干扰医疗电子仪器使用信号的方法, 使仪器能够更准确地获取患者诊断信息。方法 :分析干扰医疗电子仪器使用的几类信号源, 从屏蔽保护、选择合理接地点、滤波、合理设计电路等方面对其抑制方法进行研究分析。结果:保证仪器合理接地, 或采用屏蔽保护法、远离法、元件保护法等可以实现抑制医疗电子仪器干扰信号的目的, 使仪器正常工作。结论:医疗电子仪器在使用时要根据干扰源选择不同的方法对干扰进行抑制, 才能准确获取患者的诊断信息。关键词： 医疗电子仪器; 电磁辐射; 屏蔽; 干扰; 抑制; 作者简介：刘正明
2、(1964) , 男, 副主任医师, 主要从事医疗设备管理、维修和计量检测、设备质量控制方面的研究工作;E-mail:。收稿日期：2017-06-10Interferences and suppression methods in use of medical electronic devicesLIU Zheng-ming LI Bin-shan Department of Medical Engineering, the 1st Hospital of the PLA; Abstract： Objective To explore the methods for suppressing t
3、he interferences during the application of medical electronic devices. Methods Kinds of signal sources interfering medical electronic devices were analyzed, and the suppression methods were discussed from the aspects of shielding protection, selection of ground point, filtering, circuit design and e
4、tc. Results Interference suppression could be executed by proper grounding, shielding protection, component protection and etc.Conclusion Suppression methods have to be selected according to inference source during the clinical application of medical electronic devices.Keyword： medical electronic de
5、vice; electromagnetic radiation; shielding; interference; suppression; Received： 2017-06-100 引言医疗电子仪器在使用中最常遇到的干扰来源分为机内和机外 2 种, 其中机外是主要的干扰来源。这种干扰轻者会影响诊断结果, 重者则造成临床医生对信息无法诊断, 甚至会致使仪器无法正常工作。仪器外部干扰进入仪器的主要途径是通过电源线和检测信号的输入端。除此之外, 电源线还能在仪器内部产生新的干扰。输入信号的干扰主要是因为干扰信号与单端 (或双端) 输入信号的混合或叠加, 再经前置放大器放大后影响了输出信号。医院用
6、于检查患者的心脑电图机、超声诊断仪、心电监护仪等仪器的信号非常微弱, 假如受到干扰就会在检测结果 (波形、图形、图像) 上叠加一种类似于某种病变的畸变影像从而造成误诊, 同时还会引起微电击, 严重时还会带来生命危险;假如是带有计算机系统的医疗仪器设备, 当共模干扰中的尖峰达到 250 V, 时间持续数微秒时, 便可引起计算机逻辑错误致使信息丢失等。如果医疗电子仪器遇到强磁场还会使显像管、X 线影像增强管显示图像变形失真, 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, 心脏起搏器工作失效等。因此, 在使用医用电子仪器时应完全有效地抑制干扰。1 医疗电子仪器使用中的干扰1.1
7、 交流电源本身引起的干扰交流电源易引起电压降落、失电、频率偏移、电气噪声、浪涌、波形失真和瞬变等。在使用 50 Hz 交流电, 经整流成直流电源时, 如果滤波不良, 那么直流成分中将含有 50 Hz 交流成分, 且半波整流时, 基波为 50 Hz;全波整流时, 基波为 100 Hz。此电压送到放大器的前级, 经放大后输出很大的干扰。另外, 在放大器没有信号输入时, 就有较大的交流干扰输出。因此这个交流干扰叠加在输出信号电压上, 会出现 50 或 100 Hz 的干扰波, 轻者影响信息的读出, 重者则将淹没输出信号1。1.2 电源线引进仪器内部的干扰在医疗电子仪器使用中, 电源线易把外部空间的高
8、频干扰引进仪器内部。具体情况如下:(1) 仪器周围各种类型的火花放电如高频电刀、雷电、电焊机、大功率无线电设备及微波治疗机内的高频震荡器等都能辐射高频电磁干扰信号。其所产生的交变电磁场通过电源线、变压器或扼流圈感应输送到放大器的输入端, 从而引起严重的交流干扰2-4。(2) 交流电源线还易将其他用电设备启停或产生的脉冲性负载在电网中产生的高频信号引入仪器。如大功率设备的变压器的初次级相当于电容器的 2 个极板, 它们之间存在着一个容量为 100300 p F 的分布电容, 相当于高频短路。因此, 高频干扰能通过分布电容耦合到变压器的次级, 再经过信号电路的杂散电容而产生干扰电流。尽管变压器次级
9、电压经整流之后采取了大容量的滤波, 但由于电解电容是卷绕结构, 存在着一定的电感量, 对高频电压呈现一定的感抗, 所以不能把高频干扰完全旁路到地。(3) 电源线与仪器导联线或患者之间存在着分布电容, 因此电源线与仪器导联线或患者之间将产生交变的电场耦合而产生干扰。1.3 接地不当引起的干扰(1) 地线环路的干扰。当一台仪器的 2 部分或 2 台仪器被分别接地时, 由于大地各处的电势不相等, 在 2 个接地点之间会存在电势差, 从而产生大地环流。例如, 某仪器的一个传感器与接受器之间存在一个电势差, 由于两者之间有杂散电容的耦合作用而形成电流回路, 因此此电流流经传感器与信号接受器时易引起干扰。
10、另一种情况, 将 2 台或多台仪器连接到患者身上, 这些仪器都有一个连接到患者身上的接地线, 通过患者、接地线和大地构成一个回路。这时, 患者将处于不同地线之间的电势差上。每根导联线的电极与皮肤的接触电阻和输入阻抗都不可能完全相等, 共模电压就变成差模电压, 干扰检测结果。如果仪器的地线靠近其他的输入导联线, 那么地线回路中的电流所产生的交变磁场将在输入线中感应出一个小的干扰电压。即使 2 个接地点没有电势差, 若此回路在一个交变强磁场内, 那么在地线回路中也能引起交变电流产生干扰。(2) 仪器内部地线的干扰。一台仪器包括机壳地、输入信号地、输出信号地等, 内部的接地线上有各种电路的电流, 这
11、些接地点之间存在大小不等的接地电阻, 如果地线不佳或接地点选择不当将产生严重的干扰。1.4 医用电子设备不正确连接引起的干扰每台电子仪器的输入和输出的公共端大都连接到该仪器的机壳上, 由于机壳面积较大, 故极易受到外界电磁场的影响。1.5 医用电子设备导联线开路引起的干扰当生物医学检测仪器的某个导联线开路时, 电极不再与信号输入部分相连接。这时, 人体或机器附近的干扰源所产生的电场经人体感应或直接感应, 可使断开的电极线有较高的感应, 将产生干扰信号或使基线跳跃。当电极与患者接触不良时, 同样也会出现这种干扰。这时输出的波形可能出现棘波或尖波。另外, 仪器大都采用差分放大器。一个电极开路则将破
12、坏其共模输入, 从而引起严重干扰。1.6 人员及人体生理活动引起的干扰由于患者的衣服等积累了静电荷, 能通过人体放电而产生干扰;而操作人员也带有静电荷, 故而当在患者附近操作或走动时, 会感应而引起干扰。另外, 人体本身也是一个能够影响检测仪器的干扰源, 如肌肉颤动、精神紧张、呼吸运动、身体的移动等都会引起输出信号的干扰。1.7 温度漂移产生的干扰由于环境温度或仪器元件产热而造成仪器内部温度过高使元件性能发生改变, 产生温度漂移, 噪声信号经过多级放大后, 使较小的噪声信号产生较大的输出。2 医疗电子仪器抑制干扰的方法2.1 仪器合理接地抑制干扰(1) 接地的目的一是为了人身及仪器的安全, 二
13、是为了消除干扰而提高信噪比。接地不能用金属暖气设备, 因暖气设备不是接地的;也不宜用金属自来水管作为接地, 因金属自来水管管道表面有氧化层或绝缘涂层并非低电阻, 达不到接地的目的, 相反有时还会带来更严重的干扰或不安全。(2) 根据不同土壤、不同湿度的大地电阻率, 设计接地装置。接地体一般用钢管或角钢、圆钢和扁钢等按一定的分布方式埋设专用的单接地体或接地体组。(3) 接地方法有“浮地”接地法, 这是仪器电路设计中常用的接地方法, 即单点接地法、多点接地法、单点和多点的混合接地法。根据设备系统的实际情况合理选择其中的一种方法接地。(4) 接地电阻应小于 4。选择合适的埋设地点, 接地线应采用多股
14、电缆, 尽量减少接地线长度, 过长会造成辐射或接收高频干扰的天线。避开防雷的接地区和电力网的接地区, 因为雷击时会有很大的电流通过大地, 而电力系统的接地区电流也较大, 如不避开则将产生大的干扰和不安全。2.2 屏蔽保护、远离法抑制干扰屏蔽分电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽 3 种, 可有效抑制设备内、外部的辐射电磁通过空间传播的电磁干扰。其中, 电场屏蔽是防止静电场的影响。在电子设备中, 通常用低电阻率的金属 (铜或铝) 制成罩、壳、网和屏等作为电场屏蔽物。磁场屏蔽是抑制寄生电感耦合, 主要采用金属丝编织屏蔽线、导线管、屏蔽罩、屏蔽室等作为屏蔽物。电磁场屏蔽是利用屏蔽体金属材料对电磁波的反射和
15、吸收作用来实现的, 可防止电磁场在空间传播2-4。另外, 还有其他屏蔽方式, 如对电源线、变压器初次级间加以屏蔽, 对仪器全屏蔽, 仪器远离其他高频仪器进行屏蔽。2.3 利用元件抑制干扰(1) 采用灭火花电路, 即直流电路在接点或线圈两端采用二极管反向并联与交流电路采用 RC (resistance capacitance) 串联形式。(2) 根据待测信号、干扰信号的频率特性, 采用低通、高通和带通滤波器来抑制干扰。该方法尤其在抑制电源感应引起的各类导线的干扰方面起到了很大的作用, 应用更广泛。(3) 在交流电源输入处加滤波器即采用滤波措施抑制干扰。该方法主要通过高频滤波使高频干扰被衰减。另外
16、, 还可采用隔离式电源变压器, 即纵向扼流圈法, 从而通过切断地环流来减少干扰。除上述元件外, 还可以采用直流浮地抑制共模干扰或是采用稳压电源方法来抑制干扰。2.4 低频磁场耦合干扰的抑制(1) 当低频电所建立的磁场穿过包括人体、仪器和导联线等所组成的回路时, 可通过磁感应形成干扰。回路面积越大, 干扰就愈严重。因此, 应减小回路的面积, 并将导联线尽可能绞合在一起 (减少环路面积) , 使磁通量减小, 从而达到抑制这类干扰的目的2-4。(2) 对电源线及导联线的走向合理排线, 干扰电路的引线与敏感线路要分开, 间距至少在 45 cm, 敏感线路与一般线路的距离也需在 5 cm 以上。仪器的各种联线不要乱拉, 电源线与信号线要分开铺设, 尽量不要靠近信号线, 必须靠近时, 应垂直交叉, 减少平行部分;若非要平行, 应尽可能短, 相距应在 1 m 以上。2.5 瞬态高电压产生干扰的抑制在对患者做心脏除颤或使用高频电外科手术器械时都有高压脉冲加在患者身上, 故而会有高频信号对
