基于醫(yī)療設(shè)備的電氣隔離技術(shù)

王燕妮，李傳偉

基于醫(yī)療設(shè)備的電氣隔離技術(shù)

王燕妮，李傳偉

介紹了光電耦合隔離、電磁隔離、繼電器隔離、電容器隔離等醫(yī)療設(shè)備常用的電氣控制隔離技術(shù)，重點(diǎn)闡述了供電系統(tǒng)的電氣隔離、數(shù)字信號的隔離、模擬信號的隔離方法。建議在醫(yī)療設(shè)備研制和安裝過程中要綜合考慮各方面因素，選擇合理的隔離方式，以提高設(shè)備的電磁兼容性和醫(yī)務(wù)人員測量的準(zhǔn)確度。

醫(yī)療設(shè)備；電氣隔離；電磁兼容

0 引言

隨著科技不斷發(fā)展，大型醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)成為各大醫(yī)療機(jī)構(gòu)的組成基礎(chǔ)，例如，CT、MRI等大型醫(yī)療設(shè)備。這些設(shè)備內(nèi)部和外部的干擾會使得設(shè)備穩(wěn)定性變差，引起控制系統(tǒng)工作不穩(wěn)定而產(chǎn)生誤動作。要想抑制各種干擾信號，我們通常采用電氣隔離技術(shù)，也就是將干擾信號與易干擾的部分隔離開，從而把噪聲干擾的路徑切斷，抑制噪聲的干擾[1]。

1 醫(yī)療設(shè)備常用的電氣控制隔離技術(shù)

切斷干擾通道，讓現(xiàn)場的采集信號無偏差地傳遞到測量系統(tǒng)，保證醫(yī)療設(shè)備獲得信息的準(zhǔn)確性，通常采用電氣隔離技術(shù)，目的是把相關(guān)的干擾信號濾除掉，提高系統(tǒng)的可靠性[2]。常見隔離方式的工作原理及應(yīng)用電路如下。

1.1 光電耦合隔離

光電隔離簡稱光耦，通過完成電—光—電的轉(zhuǎn)換，起到輸入、輸出隔離的作用，是應(yīng)用最廣泛的隔離方式。

光的發(fā)射、接收以及信號的放大是構(gòu)成光耦合器的主要部分，通過電信號讓二極管發(fā)光，光信號促使探測器產(chǎn)生電流信號，電流經(jīng)過放大輸出。這樣輸入信號、輸出信號在電的傳輸上是隔離的，會大大降低干擾信號的產(chǎn)生。醫(yī)療設(shè)備上常用的光電隔離電路還可以通過兩側(cè)不同的工作電壓來實(shí)現(xiàn)不同的電平轉(zhuǎn)換。

光電隔離技術(shù)同樣也存在缺點(diǎn)，如功耗較大，特別是信號傳輸路數(shù)較多時更能體現(xiàn)出來。另外，電路設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）的發(fā)光效果變差也會降低器件的壽命。但是由于光電隔離使用方便、價格較低，仍為醫(yī)療設(shè)備電氣隔離的首選。

1.2 電磁隔離

電磁隔離與光耦合一樣，通常用于電源系統(tǒng)或模擬隔離器，而非數(shù)字器件。電感耦合是通過不斷變化的磁場通過隔離層實(shí)現(xiàn)信息交換，隔離變壓器是一個最常見的例子。電感耦合能夠降低變壓器的共模噪聲，并且轉(zhuǎn)換效率不會降低。脈沖變壓器傳遞的信號可以是頻率較高的，最高的可達(dá)10 MHz。但其缺點(diǎn)是容易受到外部電磁場的干擾，因此為了達(dá)到技術(shù)要求，一般采取屏蔽技術(shù)進(jìn)行電磁屏蔽[3]。常見的脈沖變壓器隔離技術(shù)如圖1所示。

圖1 電磁耦合技術(shù)應(yīng)用

電磁隔離性能高、體積小、反應(yīng)速度快，并且電路簡單、功耗較低，這些都是光電耦合隔離無法達(dá)到的，因此電磁隔離技術(shù)應(yīng)用面不斷擴(kuò)大。

1.3 繼電器隔離

繼電器是我們熟悉的電氣隔離器件，我們可以通過小信號來控制大信號，從而完成電氣控制功能，這樣可以將強(qiáng)電信號與弱電信號隔離開來，避免干擾的產(chǎn)生。典型的繼電器控制電路可以通過直流信號控制交流輸出。

1.4 電容器隔離

不斷變化的電場通過電容耦合進(jìn)行信息傳輸，這種傳輸方式功耗低、成本低、效率高，并且抗干擾性強(qiáng)，其優(yōu)點(diǎn)是在直流通道上能夠保證輸出極性不變。電容隔離的另外一個優(yōu)點(diǎn)是每個電容采用超低容量，這樣可以實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳遞速率。

如圖2所示，電容隔離器包含4條通道：2條AC通道和2條DC通道，VREF為參考基準(zhǔn)電壓。其中DC通道的輸入要有脈寬調(diào)制器（PWM），它利用內(nèi)部振蕩器（OSC）的高頻載波對低頻輸入信號進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)信號輸出時，通過低通濾波器（LPF）濾除高頻載波，恢復(fù)原來的低頻輸入信號。DCL為邏輯判斷電路，用來控制輸出信號是來自AC通道還是來自DC通道。

圖2 電容器隔離技術(shù)應(yīng)用

2 醫(yī)療設(shè)備供電系統(tǒng)電氣隔離

電源是為醫(yī)療設(shè)備提供能量的主要部分，其中電源變壓器又是電源的主要構(gòu)成部分。我們選用的隔離變壓器一般情況下要比實(shí)際容量大1.5倍左右，并且變壓器要有良好的接地；變壓器兩端連接采用雙絞線，這樣可以很好地降低電源線間干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性；同時隔離變壓器還具有阻抗變換、穩(wěn)定系統(tǒng)、降低短路電流等作用[4]。

對于1∶1的隔離變壓器，要想達(dá)到良好的隔離作用，自身需要有隔離設(shè)施，即采用屏蔽層進(jìn)行隔離，在原、副繞組之間，繞組引出線端子增加屏蔽，防止外來電磁干擾。

2.1 交流電源供電系統(tǒng)的隔離

醫(yī)療設(shè)備的特殊性決定了醫(yī)療設(shè)備供電系統(tǒng)可靠性要高，采用普通的變壓器無法隔離交流電路中的大量諧波、高頻噪聲等干擾。為了很好地抑制各種噪聲干擾，我們需要在繞組間加裝屏蔽層來提高設(shè)備的抗干擾性[5]。通過計(jì)算分析得知，采取了屏蔽措施之后，共模噪聲電壓就會大大降低[6]。

2.2 直流電源供電系統(tǒng)的隔離

直流電源供電系統(tǒng)的隔離通常采用2種方式：一是在交流側(cè)采用隔離變壓器，然后經(jīng)過整流濾波得到直流電，供系統(tǒng)使用；二是采用直流電壓隔離器，也就是通過直流/直流變換器來實(shí)現(xiàn)隔離[7]。

3 數(shù)字信號的隔離

數(shù)字信號隔離在醫(yī)療設(shè)備上也是經(jīng)常應(yīng)用的，許多數(shù)字信號以及開關(guān)量信號采用數(shù)字隔離電路進(jìn)行傳輸。其中光電隔離、電磁隔離和電容隔離是構(gòu)成數(shù)字隔離電路的主要方式。

在進(jìn)行數(shù)字信號隔離時應(yīng)該從以下幾個方面綜合考慮：

（1）通信速度：不同的隔離方式有不同的通信速度限制，由于不同的數(shù)字接口可能有較大的速度差異，而較快通信速度的通信接口隔離成本也較高，因此應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求選擇合適的隔離方式。

（2）功耗限制：不同的隔離方式功耗差別較大，比如光電隔離，由于是使用LED發(fā)光的方式傳遞信號，因此相應(yīng)的功率較大，在數(shù)字信號路數(shù)較多時應(yīng)當(dāng)考慮相應(yīng)的功耗問題。

（3）電路設(shè)計(jì)復(fù)雜程度：有的隔離期間需要通過一些外部電路的配合才能夠?qū)崿F(xiàn)隔離信號的傳遞，如果單路信號的隔離電路較為復(fù)雜，那么在數(shù)字信號路數(shù)過多時就會增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

4 模擬信號的隔離

模擬信號隔離就是將前一級的模擬量通過采用各種方式，如光、磁等傳遞到后一級，這期間要求信號能夠滿足一定的要求，例如誤差要小，噪聲干擾要達(dá)到設(shè)備控制要求等。模擬信號通常采用的隔離方式有：（1）模擬光耦隔離，此電路形式簡單，容易調(diào)整；（2）隔離模塊電路，結(jié)構(gòu)簡單，不需要調(diào)整；（3）A/ D—D/A隔離電路，外圍電路復(fù)雜，調(diào)整難度大。另外，交流模擬信號主要是采用變壓器進(jìn)行隔離的。對于高頻交流模擬信號，變壓器是最常見的選擇，然而對直流信號卻無法使用，數(shù)字信號中常用的光耦隔離由于線性度較差無法直接用于模擬信號的隔離[8]。

5 結(jié)語

電氣隔離主要是用來控制干擾信號的產(chǎn)生、傳輸?shù)?，采用隔離技術(shù)可以很好地抑制噪聲，但僅限于隔離技術(shù)還是不夠的，還需要結(jié)合屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)等來完成抗干擾設(shè)計(jì)。作為醫(yī)療設(shè)備測試結(jié)果的準(zhǔn)確度關(guān)系到人的安危，因此醫(yī)療設(shè)備在研制和安裝過程中要綜合考慮各方面因素，選擇合理的隔離

（????）（????）方式，盡可能滿足電磁兼容性要求，提高醫(yī)療設(shè)備測量的準(zhǔn)確度。

[1]張亞冬，賈建革，趙鵬，等.復(fù)雜電磁環(huán)境下衛(wèi)生裝備電磁兼容性研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（7）：13-17.

[2]王燕妮，李傳偉.PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)[J].國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2005（1）：71-73.

[3]王燕妮.測試系統(tǒng)的干擾成因及其抑制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2005，26（3）：49-50.

[4]凌靜，李雙齊，葉細(xì)鋒.電能質(zhì)量對醫(yī)療設(shè)備的影響[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（7）：119-120.

[5]蘆銘.醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（8）：101-103.

[6]蔣德林.醫(yī)療設(shè)備供電電源干擾及防護(hù)措施[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2005，26（6）：46.

[7]張敦曉，魏建芬，羅學(xué)文.隔離電源及其在高壓氧艙的應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（4）：121-123.

[8]金陽光.現(xiàn)代醫(yī)院大型醫(yī)療設(shè)備維修存在問題與對策探討[J].中國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè)，2013（32）：156-157.

（收稿：2015-02-26 修回：2015-06-27）

（欄目責(zé)任編校：李 影）

Electrical isolation technology based on medical equipment

WANG Yan-ni1,LI Chuan-wei2
（1.Weihai Municipal Hospital,Weihai 264200,Shandong Province,China; 2.Weihai Vocational College,Weihai 264210,Shandong Province,China）

Some electrical isolation technologies of medical equipment were introduced,including the technologies of optically coupled isolation,electromagnetic isolation,relay isolation and capacitor isolation.The electrical isolations for the power supply system,digital signal and analog signal were described in detail.It's suggested that considerations be taken on the isolation during the development and installation of medical equipment to enhance its electromagnetic compatibility.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（11）：129-130，142]

medical equipment;electrical isolation;electromagnetic compatibility

R318；R197.39

A

1003-8868（2015）11-0129-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.11.129

王燕妮（1969—），女，副主任技師，主要從事醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用與維護(hù)方面的研究工作，E-mail：sdwhlcw69@163.com。

264200山東威海，威海市立醫(yī)院（王燕妮）；264210山東威海，威海職業(yè)學(xué)院（李傳偉）