医疗仪器的安全性设计

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1、医疗仪器的安全性设计,林 敏 Tel: 18916969359 QQ: 1356763788,医疗设备作为一种特殊商品，它的安全有效关系到公众的身体健康和生命安全。 诊断和治疗用的医疗设备是为了取得人体信息及给人体以某种作用。它以患者为主要对象，而患者往往对于外来作用处于非常脆弱的状态，或者处于意识不清醒状态而对危险失去感觉，或者处于不能自由的状态。 在评价医疗设备时，医疗设备的安全性与医疗设备的有效性是同等重要的。,医疗仪器的安全性设计,医疗仪器的安全性设计,一般情况下，医疗设备安全性标准涉及的危险包括：与各种高能源接触或暴露于电离辐射所导致的电击；机械作用力导致的物理性损伤； 电磁干扰或者

2、静电放电导致的人身伤害等。,电离指物质的原子由中性不带电转变成带电的离子，产生这种效应的原因是电荷被电离辐射从电子壳层中击出，使原子带电。,引起生理效应和人体损伤的直接因素是电流而非电压。 电流通过人体时，以三种方式影响人体组织： 热效应（好/坏？）； 刺激效应； 化学效应。,电击及其产生因素,心室纤颤是电击导致人死亡的最主要因素。,1. 宏电击和微电击 当电源与人体接触时相当于连接一个等效电阻，若形成一个回路，将有一定数量的电流流经人体；当电流从人体外经过皮肤流进体内，然后再流出体外，使人体受到的电击称为宏电击。 电流较大， 流过心脏的电流微弱。,电击及其产生因素,进入人体心脏内部所加的电流

3、引起的电击，称为微电击； 微电击是一种特别危险的电击。 微电击允许的安全极限电流一般是10A。 凡是直接用于心脏的电子医疗设备，如心脏起搏器，心导管电极之类的仪器，都易使患者遭受电击的危险，应定期检测漏电流。,电击及其产生因素,电击及其产生因素,2. 影响电击的因素人体阻抗,电容性阻抗，随电源电压和频率而变化,正常环境下，人体阻抗的典型值为1000，体内阻抗的典型取值为500。,电流越大，对生理效应与损伤程度的影响就越大； 通电时间越长，人体损伤越严重 （皮肤阻抗随着通电时间的延长而下降）,电击及其产生因素,影响电击损害程度的因素：电流、通电时间、电流频率、电流途径和人的适应性。,电流通过人体

4、的途径是造成电击伤害的一个重要因素； 电流的路径接近心脏、肺、大脑等重要器官，就可能使心跳、呼吸停止，导致死亡。,电击及其产生因素,影响电击损害程度的因素：电流、通电时间、电流频率、电流途径和人的适应性。,电流的生理效应因刺激电流频率而异；100Hz，刺激效应随电流频率增加而减弱；100kHz 刺激效应完全消失，只有热效应。,电击及其产生因素,影响电击损害程度的因素：电流、通电时间、电流频率、电流途径和人的适应性。,- 对电刺激的适应能力因人而异,3. 漏电流 非功能性电流。 对地漏电流 是由网电源部分穿过或跨过绝缘层流入保护接地导线的电流。,电击及其产生因素, 外壳漏电流 是带电部件的电流跨

5、过绝缘层到达可触及外壳部分，然后经人体流向地或其他可触及部件的电流。 外壳漏电流产生的原因和对地漏电流相同，不同的就是人体接触到外壳时，漏电流是经过人体到大地的。 患者漏电流 是流经患者到地的电流。按漏电流流经途径分两种，一是从患者电路流经人体到大地；二是来自外部的电压从患者经应用部分跨过绝缘层到达保护接地。,电击的防护标准,国际电工委员会 IEC医用电气设备安全标准 （IEC-601）,仪器带压 25V交流有效值 or 60V直流电压 残余电压 60V or 残余电能 2mJ,电击潜在危险,仪器机壳是防止电击的第一道屏障，必须具有足够的机械强度，必须具有阻燃作用。,根据可能产生的危险，分类医

6、疗仪器各个部分：,第一类： 可触及部分 (Accessible Part） 第二类： 带电部分 (Live Part）电源 第三类： 信号输入与输出部分 接口电路 第四类： 应用部分 (Applied Part) 与患者物理性接触的部件 B 型：应用部分提供患者直接的接地连接 BF型：应用部件与仪器其他部分电气隔离 CF型：可以直接与心脏接触使用,电击的防护标准,F表示“浮地”（Floating）,第四类： 应用部分 (Applied Part) 与患者物理性接触的部件 B 型：应用部分提供患者直接的接地连接 BF型：应用部件与仪器其他部分电气隔离 CF型：可以直接与心脏接触使用,电击的防护标

7、准,无论什么情况下，一旦患者身上连接了低阻抗或半永久性连接器（ECG、EEG电极等），就禁止使用B型应用部件； 所有直接用于心脏的医疗电子仪器（植入式心脏起搏器等），只能使用CF型应用部件。,电击的防护措施,常见的医疗设备的安全措施有： 电气隔离 可靠接地 减少漏电流 双重绝缘 低压供电 浮地输出, 剩余电压或能量： 由于电源中存在各种各样的电容器，而电容器是电荷储存的介质。因此在设计中需要考虑断电后尽快将这部分电量进行泄放，以保证维修人员即使在拆机后检修机器时，也不会因为触及到这部分电路而受到电击。,电击的防护措施, 外壳和防护罩： 外壳和防护罩的设计应能够防止用户触及到带电部件和仅用基本绝

8、缘与带电部件隔离的部件。通常需要考虑开孔的大小。,电击的防护措施, 隔离： 隔离的目的是为了确保漏电流即使发生单一故障条件下也能维持在安全值。网电源相当重要的一个环节就是隔离设计。 根据保护对象的不同，可以分为面向操作者的隔离和面向患者的隔离。 前者主要指的是网电源与信号输入输出部分以及网电源与外壳之间的隔离。 后者主要指的是网电源与应用部分之间的隔离。,电击的防护措施, 由于空气可能被击穿成为良导体，且印制电路版表面由于应用环境(灰尘、粉屑等)的影响，也可能成为电气连接的途径，因此在隔离设计中，还必须考虑到电气间隙和爬电距离的影响. 爬电距离是两个导电体表面之间的最短距离， 电气间隙是不同带

9、电体之间或带电体与机壳之间不会发生击穿的安全距离。,电击的防护措施,电击的防护措施,电击的防护措施, 漏电流与隔离设计息息相关。 由于网电源中EMC滤波电容的存在，会对对地漏电流产生极大的影响，因此设计EMI滤波器的时候，必须考虑到漏电流的因素。 要求在正常状态下漏电流是安全的. 在单一故障下(保护接地断开、零线断开、器件失效等等)，也必须是安全的。,电击的防护措施, 保护接地是防止电击的有效措施。,电击的防护措施,隔离放大器优良的输入输出欧姆隔离特性，使它适合于用做医疗监护仪器和病人之间的接口。在生物医学测量中，确保人体不受超过10uA以上漏电流和高电压（可达几百伏以及数千伏）的危害。,医疗

10、仪器中的隔离器设计,隔离放大器是一种特殊的测量放大电路，其输入、输出和电源电路之间没有直接电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。,按隔离模式分类： 两口隔离：指信号输入部分和信号输出部分欧姆隔离。采取其它措施进行电源隔离。 三口隔离：指输入、输出和供电部分三部分彼此欧姆隔离。按隔离方法分类： 光电隔离 电容隔离 变压器隔离（电磁隔离）,医疗仪器中的隔离器设计,分类,差动心电图隔离放大器设计实例,INA110,ISO107,差动心电图隔离放大器设计实例,（1）INA110 仪表放大器,G = 1 + 40k/(RG + 50),放大器提供1，10，100，200，500增益。,放大器增益

11、通过跳线JP2 JP5 编程设定，范围为1500倍。,（2）ISO107隔离放大器提供电气隔离,输入、输出引脚之间设置了内部隔离屏障 通过隔离栅提供信号和电源 内置变压器耦合的 DC-DC转换器，可以给隔离侧电路供电 电容耦合的信号通道,（2）ISO107隔离放大器提供电气隔离,隔离屏障两端最靠近的引脚之间分开的距离有30mm； 内置隔离屏障的标称连续电压在60Hz交流电下达到2500V； 该屏障达到了标称值为1000V交流电的加强绝缘等级。,ISO107 的信号和电源连接,ISO107应用举例,ECG Amplifier with Right Leg Drive,电路隔离侧的每个导电点都必须

12、与非隔离侧的每个导电点分开； 分离距离必须满足额定工作电压下加强绝缘等级的电气间隙和爬电距离要求。,印制电路板布局和连线要求,ECG放大器电路元器件布局,生物电放大器经常工作于设计时考虑的最高电源电压下。,左图工作于有效值为240V的最高标称电压，因此理论上要求电气间隙为5mm，爬电距离为8mm。,典型的体外除颤器利用500H电感将一个32F电容器充电至高达5000V，然后再通过电容放电产生电脉冲。电脉冲直接施加在置于患者胸部的电极板上；患者身体相当于一个500电阻。,由于除颤器近5000V电容初始电压可能全部施加在这些电阻上，为了确保电流不会通过产生火花或者通过印制电路板的爬电等其他途径泄漏

13、出去，因此能够承受除颤器脉冲峰值电压的隔离屏障至少需要7mm的电气间隙和12mm的爬电距离。,除颤脉冲防护电路,图中，R4与R6串联，R5与R7串联，这些电阻与患者导联形成串联，可以将除颤器输入的电流峰值限制在10mA以下。,独立的通用隔离模块,简化样机和实验设备的设计,达到了115V 60Hz交流电压下最大漏电流不超过2A的指标； 在2500Vrms、60Hz 交流电作用下最长隔离时间达1min。,独立的通用隔离模块,增益=1+100K/（10.7K+Ri）,Ri为JP1-1 与JP1-2 之间的连接电阻,三端隔离放大器,市场上出售的大多数隔离放大器集成芯片都含有内置的直流-直流(DC-DC

14、)转换器，用于给放大器的隔离侧提供电源。 这些芯片有些称为输入隔离放大器，有些则称为输出隔离放大器，这是指芯片中的电源跨越隔离屏障的方向。 输入隔离放大器通过内部隔离的DC/DC转换器给放大器的隔离输入侧供电，同时其输出侧与DC/DC转换器一起使用同一个电源。 输出隔离放大器用外接电源直接给放大器输入侧和DC/DC转换器供电，而DC/DC转换器的输出则用于给放大器的隔离输出侧供电。,三端隔离放大器AD210 既可作输入隔离器，又可作输出隔离器。,三端隔离放大器 AD210,输入、输出和电源3个端口相互独立； 任意2个端口间的连续隔离电压达到有效值2500Vrms和峰峰值3500VP-P 。,应

15、用AD210 设计前置级隔离放大器,输入隔离 保持:7mm电气间隙，12mm爬电距离,输出隔离 保持: 7mm电气间隙，12mm爬电距离,电源隔离 保持:7mm电气间隙，12mm爬电距离,利用AD210的三端特性，通用生物电放大器的实现只需要单个80mA的15V外接电源供电。,应用AD210 设计前置级隔离放大器,光耦式模拟信号隔离器, 廉价； 可跨越多路模拟信号隔离屏障； 工作原理： 发射并检测调制光。,输入电流驱动光耦中内置的发光器件， 内置光敏检测其驱动输出电路。,光耦通常包含一个LED和一个光敏晶体管，两者彼此之间电气隔离，面对面地封装在不透光的外壳内。,最简单的模拟信号光耦电路,用正

16、比于输入信号的电流驱动LED。 电路稳定性不好！由于LED的光输出跟随输入驱动电流的变化很不稳定，会随着LED的使用期、温度及驱动电流的动态变化而发生明显的变化。,光耦式线性模拟信号隔离器,如果既要使用光耦对模拟信号进行隔离，又要获得良好的线性特性，有三种处理方法：1）首先将模拟信号转换成频率可变（或脉宽可变）的脉冲序列信号，再用脉冲信号驱动光耦；然后在光耦的另一侧，将脉冲信号解调，恢复原始信号；2）将光耦连接在一个伺服回路中，利用回路的误差传输具有高线性度的模拟信号；3）用光耦传输真正的数字信号数据。,模拟信号被转换成脉宽变化的脉冲序列，用于驱动光耦。 在光耦的另一侧，脉冲序列再被解调，从而恢复原始信号。,光耦式线性模拟信号隔离器,光耦OPI 1264 隔离电压达10kV,脉宽调制光隔离放大电路,IC1A 首先将偏置电压添加到输入信号中， IC1B 完成脉宽调制器功能，它通过晶体管Q1驱动光耦中的LED， IC3A 解调光耦的脉冲序列，再经过 IC3B 低通滤波之后获得输出信号。,