電磁干擾及其對(duì)醫(yī)療儀器設(shè)備的影響與對(duì)策

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?qū)ΨQ干擾，它是指疊加在線路電壓正弦波上的干擾，是載流導(dǎo)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(duì)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(dǎo)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(zhuǎn)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(shí)停電）、頻率偏移（如區(qū)域性電網(wǎng)故障或發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定等）、電氣噪聲（如開關(guān)電源或大功率逆變設(shè)備等產(chǎn)生的電磁騷擾、無線電信號(hào)、電廠或工業(yè)電弧等）、浪涌（如突然減輕負(fù)載、變壓器抽頭不當(dāng)?shù)龋?、諧波失真（如整流、變頻調(diào)速和開關(guān)電源的工作）和瞬變（如雷擊、大功率開關(guān)的切換、對(duì)電感性負(fù)載的切換）等。

1.2干擾對(duì)醫(yī)療儀器設(shè)備的影響

心腦電圖機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、超聲診斷儀、針灸電療儀或銀針直接接觸人體的儀器設(shè)備等，特別是檢測人體生物電信號(hào)的儀器設(shè)備，由于信號(hào)非常的微弱，如果受到干擾，就會(huì)在檢測結(jié)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(shí)還會(huì)引起微電擊，嚴(yán)重時(shí)還有生命危險(xiǎn)。如果是帶有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備，當(dāng)共模干擾中的尖峰干擾幅度達(dá)到2V～50V，時(shí)間持續(xù)數(shù)微秒時(shí)，可引起計(jì)算機(jī)邏輯錯(cuò)誤、信息丟失等。強(qiáng)磁場會(huì)使顯像管、X線影像增強(qiáng)管顯示圖象變形失真；加速器射線偏移；計(jì)算機(jī)磁盤、磁卡記錄數(shù)據(jù)破壞；呼吸機(jī)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(hù)接地和保護(hù)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(hù)接地是將儀器設(shè)備的金屬外殼接上地線，在外殼由于干擾引起帶電時(shí)，電流沿地線流入大地，達(dá)到保護(hù)人身和儀器設(shè)備安全的目的。而保護(hù)接零是將儀器設(shè)備的金屬外殼與電源的零線連接起來，在短路時(shí)，立即燒斷保險(xiǎn)，以達(dá)到切斷電源的目的。2.1.1儀器設(shè)備的信號(hào)接地

①浮地把電路的“零”電位或設(shè)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(dǎo)線絕緣，即不接地，使此“零”電位相對(duì)于大地的零電位來說是個(gè)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(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是靜電積累。當(dāng)電荷積累到一定程度后，在設(shè)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(qiáng)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(shè)備漏電流的要求為宜。

②單點(diǎn)接地電路和設(shè)備中凡需要接地的點(diǎn)都接到被定義的只有一個(gè)物理點(diǎn)為接地參考點(diǎn)的點(diǎn)上就稱為單點(diǎn)接地。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)如果采用單點(diǎn)接地，每個(gè)設(shè)備都要有自己的單點(diǎn)接地點(diǎn)，然后各設(shè)備的地再與系統(tǒng)中唯一指定的參考接地點(diǎn)相接。缺點(diǎn)是系統(tǒng)工作頻率很高時(shí)呈某種電抗效應(yīng)，引起接地效果不佳。

③多點(diǎn)接地多點(diǎn)接地是指設(shè)備中凡需接地的點(diǎn)，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(diǎn)是簡單，高頻駐波小。缺點(diǎn)是維護(hù)量（銹蝕、松動(dòng)）較大。

④混合接地集單點(diǎn)和多點(diǎn)接地之長，把需要就近接地的點(diǎn)，就近直接與接地平面相連或?qū)π枰哳l接地的點(diǎn)，通過旁路電容與接地平面相連接，其余各點(diǎn)均采用單點(diǎn)接地。流通信號(hào)波長低于0.05λ時(shí)采用單點(diǎn)接地，接地線長度達(dá)到0.05λ以上的就應(yīng)采用多點(diǎn)接地。2.1.2儀器設(shè)備的接大地

①儀器設(shè)備的接大地在實(shí)用中除儀器設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地外，還要將儀器設(shè)備的信號(hào)地、機(jī)殼和大地接在一起，并以大地作為儀器設(shè)備的接地參考點(diǎn)，從而保證了人身安全和電路工作的穩(wěn)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(biāo)。它取決于接地電極的制作方式和大地自身的性質(zhì)。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(xí)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(huì)對(duì)管道檢修人員造成傷害。有些暖氣管道架設(shè)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(duì)禁止用來接地，以免發(fā)生危險(xiǎn)。

正確的接大地方法是自行埋設(shè)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(dǎo)線直徑為1cm～2cm，長為2M～４Ｍ的銅棒（特殊情況可多根互連成網(wǎng)），然后理上濕土，把導(dǎo)線露出地面。如果土質(zhì)干燥?？稍阢~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(xué)儀器設(shè)備的接地必須根據(jù)具體儀器設(shè)備分別對(duì)待，如心電圖機(jī)、腦電圖機(jī)、胃電圖機(jī)、B超等必須單機(jī)分別接入大地，千萬不要接在同一個(gè)地方。特別是不要與X線機(jī)、CT、MRI等接地線接在同一點(diǎn)上，否則會(huì)通過地線引起極強(qiáng)的干擾，導(dǎo)致無法正常工作。

2.2屏蔽

為了有效地抑制設(shè)備內(nèi)、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(shí)踐證明：對(duì)帶有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的儀器設(shè)備，采用屏蔽計(jì)算機(jī)主機(jī)的方法對(duì)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(duì)1MHz的干擾，若用金屬網(wǎng)屏蔽，屏效可達(dá)40dB,單層鐵皮屏蔽，屏效可達(dá)60dB，用雙層鐵網(wǎng)屏蔽，屏效可達(dá)100dB。2.2.1電場屏蔽

儀器設(shè)備中電位不同物體間（包括導(dǎo)線間）的相互感應(yīng)可看成是分布電容間的電壓分配。為了減少干擾源對(duì)被感應(yīng)物的干擾，通常采取的措施是：增大干擾源與被感應(yīng)物的距離，減小分布電容；盡可能讓被感應(yīng)物貼近接地板，增大其對(duì)地的電容；在兩者間加入金屬屏蔽層。屏蔽層必須是導(dǎo)電良好的導(dǎo)體，要有足夠的強(qiáng)度，接地要好。例如心腦電圖機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、針灸電療儀或銀針直接接觸人體的儀器設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離超短波治療機(jī)、高頻電刀、X射線機(jī)、CT、MRI及一切能輻射電磁波的醫(yī)療設(shè)備的輻射區(qū)內(nèi)。2.2.2磁場屏蔽

磁場屏蔽是指對(duì)直流或低頻磁場的屏蔽。其屏蔽原理是利用屏蔽體的高導(dǎo)磁率、低磁阻特性對(duì)磁通所起的磁分路作用，從而削弱屏蔽體內(nèi)部的磁場。為了減少屏蔽體的磁阻，所用材料必須是高導(dǎo)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(fēng)孔等要順著磁場方向分布。對(duì)強(qiáng)磁場的屏蔽可采用雙層屏蔽體結(jié)構(gòu)。所有材料因磁場強(qiáng)度的強(qiáng)弱而定：當(dāng)要屏蔽外部強(qiáng)磁場時(shí)，外層屏蔽體用不易滋飽和的（如硅鋼）材料；內(nèi)層則用易飽和的（如坡莫合金）高導(dǎo)磁材料。反之，所用材料倒過來即可。安裝時(shí)彼此間的磁路絕緣，無接地要求時(shí)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(duì)電磁波的反射和吸收作用來實(shí)現(xiàn)的。其過程是：當(dāng)電磁波達(dá)到屏蔽體金屬表面時(shí)，金屬表面就起反射作用，而未被完全反射的電磁波進(jìn)入屏蔽體內(nèi)部時(shí)，繼續(xù)向前傳播的過程中會(huì)被屏蔽體金屬吸收；當(dāng)部分未被吸收掉的電磁波透過金屬到達(dá)屏蔽體的另一表層時(shí)，在金屬與空氣交界上會(huì)再次形成反射，重返屏蔽層內(nèi)部，這樣在屏蔽體內(nèi)部形成多次反射與吸收。

3抑制干擾的技術(shù)3.1專用線路

為了抑制儀器設(shè)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(rèn)定一相作為敏感設(shè)備的供電電源；一相作為外部設(shè)備的供電電源；再一相作為常用測試儀器或其它輔助設(shè)備的供電電源。這種措施常應(yīng)用在大型的醫(yī)療儀器設(shè)備供電系統(tǒng)。

值得注意的是，在現(xiàn)代醫(yī)用電子儀器設(shè)備系統(tǒng)中，由于配電線路中非線性負(fù)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(xì)的中線會(huì)造成線路阻抗的增加，干擾也將增加。同時(shí)過細(xì)的中線還會(huì)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(diǎn)是絕緣電阻高、寄生電容小、浪涌吸收能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是對(duì)浪涌電壓的響應(yīng)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(biāo)稱電壓和通流容量。在使用時(shí)，壓敏電阻的電壓選擇要考慮被保護(hù)線路可能有的波動(dòng)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(guān)系。例如220V時(shí)其壓敏電阻的標(biāo)稱電壓應(yīng)是220×1.4×1.4＝430V。通流容量應(yīng)根據(jù)所需保護(hù)的具體場合進(jìn)行合理的選擇。使用時(shí)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(duì)瞬變干擾吸收時(shí)的高速性能（us）級(jí)，引線越長感應(yīng)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(dāng)瞬態(tài)電壓保護(hù)二極管受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，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(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)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(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間快（亞us級(jí)）、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(yīng)用于醫(yī)療儀器設(shè)備的靜電，電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，雷擊產(chǎn)生的過電壓保護(hù)。使用時(shí)TVS管的擊穿電壓要高于被保護(hù)電路工作電壓的10％。3.2.4固體放電管

固體放電管的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快（10～20ns級(jí)），吸收電流大、動(dòng)作電壓穩(wěn)定、使用壽命長。其工作原理是：當(dāng)外界干擾低于觸發(fā)電壓時(shí)，放電管處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)干擾電壓超出觸發(fā)電壓時(shí)，放電管工作在負(fù)阻區(qū)。此時(shí)電流極大，使干擾能量轉(zhuǎn)移。隨著干擾的減少，通過放電管的電流回落，當(dāng)干擾電流低于維持電流時(shí)，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(shè)備之間，主要起抑制電能傳輸中寄生的電磁干擾，提高設(shè)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(gòu)成的單級(jí)線路。安裝時(shí)一定要確保濾波器外殼與設(shè)備的金屬外殼接觸良好后，再與大地可靠接觸，同時(shí)，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(jìn)入設(shè)備機(jī)箱，而是經(jīng)過濾波之后再進(jìn)入，利用機(jī)殼的自然屏蔽，把電源線干擾排除在設(shè)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(jí)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(shí)現(xiàn)電路的電氣隔離，解決由地線環(huán)路帶來的設(shè)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(jí)與次級(jí)間不設(shè)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(diǎn)是對(duì)共模干擾有一定的抑制作用，其大小可用初次級(jí)間的分布電容和設(shè)備對(duì)地分布電容的比值來估算。通常初次級(jí)間的分布電容為幾百Pf，設(shè)備對(duì)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(diǎn)是對(duì)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(jí)間增設(shè)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(jí)的中線端。例如對(duì)50HZ工頻來說，由于初級(jí)與屏蔽層構(gòu)成的容抗很高，仍可通過變壓器效應(yīng)傳遞到次級(jí)，而未被衰減。對(duì)頻率較高的共模干擾，由于初級(jí)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(jí)中線端的連線直接返回電網(wǎng)，而進(jìn)入次級(jí)回路。3.4.3超級(jí)隔離變壓器

超級(jí)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(diǎn)是對(duì)共模和差模干擾都有較強(qiáng)的抑制能力。雙重的是一個(gè)屏蔽層接變壓器初級(jí)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(jí)的屏蔽層接初級(jí)中線；中間的屏蔽層接變壓器的外殼后再接大地；靠近次級(jí)的屏蔽層，接次級(jí)的一個(gè)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(fù)載電流變化時(shí)，把其輸出電壓穩(wěn)定在所允許的范圍內(nèi)。常用的有鐵磁諧振、參數(shù)調(diào)整型、伺服型、分級(jí)調(diào)整寬度、超級(jí)隔離、開關(guān)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(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的。當(dāng)輸輸入電壓因某種因素過高或過低時(shí)，其輸出電壓可隨輸入電壓的高低通過自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定不變。優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、輸出阻抗高、過載能力強(qiáng)、可靠性較高。缺點(diǎn)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(dòng)電流大的負(fù)載。3.5.2參數(shù)調(diào)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(jìn)型參數(shù)調(diào)整型交流穩(wěn)壓電源所替代。該電源是在614的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)，特別是利用可控硅調(diào)感技術(shù)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(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)使輸出電壓穩(wěn)定不變。優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是輸入側(cè)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(fù)載時(shí)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(diào)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(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)改變變壓器輸出抽頭的位置，使輸出電壓在維持負(fù)載所允許的電壓范圍內(nèi)。缺點(diǎn)是響應(yīng)速度低（秒級(jí)），調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多尖峰和振鈴干擾。

3.5.4分級(jí)調(diào)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(zhuǎn)換。由于該電源價(jià)格低廉，輸入電壓的適應(yīng)范圍較寬，應(yīng)用于家用電器的交流穩(wěn)壓。缺點(diǎn)是穩(wěn)壓精度不高，在繼電器轉(zhuǎn)換過程中易產(chǎn)生電火花所帶來的尖峰干擾。

3.5.5超級(jí)隔離變壓器

為了解決了現(xiàn)代電子儀器設(shè)備的小型化、數(shù)字化和低功耗化，對(duì)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(jí)隔離變壓器，俗稱凈化電源。對(duì)多抽頭的繞組的控制則采用了無觸點(diǎn)的雙向可控硅，數(shù)字電路或單片機(jī)。有時(shí)也稱為數(shù)控型凈化電源。優(yōu)點(diǎn)是：穩(wěn)壓電源的電壓適應(yīng)范圍寬、對(duì)電網(wǎng)或負(fù)載變化的響應(yīng)速度快（小于10ms）、對(duì)存在于電網(wǎng)中瞬變干擾抑制能力強(qiáng)。

3.5.6開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源

開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源采用了先進(jìn)的高