Снижение уровня электромагнитных помех в медицинских приложениях

Электромагнитные фильтры для медицинских приложений должны гарантировать минимальный уровень тока утечки, обеспечивать оптимальные габариты и высокую эффективность. В статье рассказывается о методах улучшения электромагнитной совместимости медицинских устройств и повышении их устойчивости к помехам
478
В избранное

Электромагнитная совместимость устройства (ЭМС), с одной стороны, характеризует способность устройства работать в условиях окружающей электромагнитной среды, а с другой стороны, определяет насколько собственные помехи устройства влияют на работу окружающего оборудования. Если уровень помех, генерируемых устройством, становится слишком высоким, то это может нарушить работоспособность самого устройства и помешать работе других устройств. Таким образом, при проектировании оборудования производители должны обеспечивать необходимый уровень защиты от возможных помех.

Определение уровня электромагнитной совместимости подразумевает проведение двух видов испытаний: проверку устойчивости устройства к внешним помехам (создаваемых окружающими устройствами) и измерение помех, генерируемых самим устройством.

Стандарт IEC 60601-1-2 определяет требования к ЭМС для медицинского электрического оборудования. Медицинское оборудование должно отвечать жестким требованиям ЭМС, так как оно может использоваться не только в больничных условиях. В настоящее время все большее распространение получают портативные медицинские приборы. Такие приборы могут использоваться в любой точке мира в любых условиях окружающей среды. Стандарты ЭМС должны подталкивать производителей к дальнейшему улучшению медицинских устройств.

Важность экранирования для борьбы с электромагнитными помехами

Благодаря постоянному увеличению спроса на качественное медицинское обслуживание, развитие медицинских электронных устройств происходит очень быстро. Эффективность и точность медицинских приборов все время повышается, что позволяет ставить пациентам более детальные и точные диагнозы. Однако, чтобы обеспечить увеличение точности, необходимо гарантировать высокую устойчивость медицинских приборов к электромагнитным помехам. Измерительные устройства должны предоставлять надежные и не зашумленные данные даже в суровых условиях, например, когда рядом работает аппарат МРТ или рентгеновское оборудование.

При наиболее неблагоприятном развитии событий мощные электромагнитные помехи способны вызвать отказ системы мониторинга и жизнеобеспеченья пациента. Таким образом, жизнь пациентов зависит от того, насколько качественно выполнено экранирование чувствительного медицинского оборудования. По этой причине крайне важно гарантировать правильность работы устройства в каждый момент времени.

В настоящее время существует большая потребность в автоматизации медицинского оборудования для удаленного наблюдения за пациентами и выполнения удаленной диагностики. Это увеличивает спрос на такие беспроводные технологии, как Bluetooth, WLAN, GPS и др. Поскольку беспроводные интерфейсы физически работают в той же среде, что и другие устройства, то проблема с электромагнитной совместимостью и электромагнитными помехами становится еще острее. Повышение тактовых частот и плотности расположения компонентов на печатной плате вызывает необходимость увеличения соотношения сигнал/ шум (SNR) измерительных систем, что в свою очередь вынуждает разработчиков использовать экранирование.

Факторы, влияющие на ЭМС медицинского устройства

Помехи по цепям питания являются следствием электромагнитных волн, излучаемых устройствами связи, или электростатических разрядов (ESD), которые приводят к возникновению скачков тока и локальному излучению. В последнее время наблюдается значительное увеличение числа сотовых телефонов и других беспроводных устройств. В результате устройства, излучающие электромагнитные волны, становятся неотъемлемой частью окружающей среды.

Возникновение электромагнитных помех возможно при одновременном присутствии трех факторов: источника помех, приемника помех, канала электромагнитной связи между источником и приемником. Связь между источником и приемником может быть кондуктивной, магнитной или радиочастотной (передача помех посредством электромагнитного поля).

Электромагнитные помехи могут иметь как естественное, так и искусственное происхождение. Источниками искусственных помех являются такие устройства, как радио, компьютеры, беспроводные сети, мобильные телефоны или любые другие электрические устройства, предназначенные для передачи сигналов. В медицинской технике проблемы с помехами могут возникнуть по различным причинам:

  • из-за систем, использующих магниты для исследования тела пациента
  • из-за повышенной чувствительности измерительных устройств к магнитным полям, например, МРТ
  • Из-за фоновых электромагнитных полей, генерирующих токи и напряжения на проводах или контурах и т.др.

Для того чтобы повысить уровень ЭМС и устойчивость устройства к электромагнитным помехам, необходимо выполнить следующие шаги:

  1. Описать устройство
  2. Определить источники шумов
  3. Изучить взаимодействие источника и приемника шума
  4. Определить возможные решения проблемы
  5. Организовать испытательный стенд, необходимый для выполнения тестирования
  6. Провести испытания
  7. Рассчитать требуемое соотношение сигнал-шум SNR
  8. Определить значимость факторов и требуемый оптимальный уровень характеристик
  9. Протестировать предлагаемое решение
  10. Разработать прототип
  11. Провести финальное тестирование
  12. Оценить время выхода на рынок

Металлизированный экран

Потребность в компактном и легком оборудовании постоянно растет, поэтому выбор пластиковых корпусов кажется наиболее очевидным. Однако непроводящий пластик требует дополнительного металлического экрана для обеспечения защиты от электромагнитных помех. Производители и разработчики вынуждены использовать экранирование, чтобы предотвратить выход из строя медицинского оборудования и обеспечить его соответствие существующим стандартам.

Многослойный металлизированный экран решает многие проблемы, характерные для традиционных технологий экранирования. Он представляет собой листы легкого металлизированного пластика, которые могут быть отформованы с учетом формы каждого конкретного устройства. Пластмассовый материал прикрепляется к печатной плате после монтажа компонентов. Его можно легко снять вручную, не повредив плату или пайку. В результате экран никак не влияет на эффективность проверки монтажа при производстве или после ремонта. Металлизированный экран имеет превосходную экранирующую способность и простой механизм крепления, чем выгодно отличается от перфорированных, распаиваемых металлических экранов (рис.1).

Эффективность различных типов экранов

Рис. 1. Эффективность различных типов экранов

Металлизированные экраны широко применяются в широкополосных роутерах, в устройствах связи, портативных военных радиостанциях, промышленных сканерах штрих-кодов и мобильной бытовой электронике. XGR Technologies – поставщик различных решений для защиты от электромагнитных помех. Основным продуктом компании является металлизированный экран SnapShot. Экран SnapShot может иметь различную форму, например, круглую, квадратную, прямоугольную и т.д.

Билл Кэнди, технический директор XGR Technologies, говорит: «Часто в медицинских устройствах приходится очень плотно располагать элементы, умещая их в границах заданного форм-фактора. В то же время экраны SnapShot отличаются разнообразием форм и высокой гибкостью. Таким образом, защищаемое устройство не обязательно должно иметь традиционную прямоугольную форму. Наоборот, экран SnapShot выбирается, исходя из формы защищаемого устройства».

«Кроме того, для медицинских устройств чувствительных к магнитным материалам, например, для аппаратов МРТ, использование неферромагнитного экрана на полимерной основе, каким является SnapShot, позволяет размещать компоненты ближе к чувствительной головке, то есть в магнитном поле самого устройства. Это приводит к улучшению качества изображения».

ЭМС-фильтры

Электромагнитные пассивные фильтры помогают бороться с кондуктивными помехами и повышают устойчивость устройств к радиочастотным помехам. Фильтры обычно располагают на входе устройства, чтобы максимально эффективно бороться с распространением как входных, так и выходных помех. В некоторых случаях фильтры позволяют защитить устройства от катастрофических отказов, которые возможны при воздействии мощных помех.

Обычно выбор подходящего фильтра производится исходя из значений ключевых параметров, таких как затухание, полное сопротивление нагрузки, номинальный ток, номинальное напряжение, а также с учетом требований нормативных актов, указанных заказчиком. Однако существует множество других параметров, которые необходимо учитывать, чтобы обеспечить надежную, эффективную и правильную работу фильтра.

Конденсаторы, подключенные между линиями питания и защитным заземлением (PE), приводят к появлению токов утечки. В соответствии с медицинскими стандартами ток утечки на землю в медицинском электрооборудовании должен быть ограничен. Поэтому в фильтрах такие конденсаторы обычно отсутствуют, что негативно сказывается на эффективности фильтрации. В результате, для подавления синфазного шума необходимо использовать дополнительные индуктивности.

Конструкция фильтра зависит от требуемого уровня изоляции. Фильтр не должен иметь каких-либо дополнительных токов утечки, возникающих из-за паразитных параметров системы. Однако в менее критичных приложениях вполне могут использоваться фильтры, обладающие незначительными токами утечки. Стоит отметить, что даже если выбран фильтр без собственного тока утечки, тем не менее, при выполнении сертификации устройства требуется измерять ток утечки для всей системы.

Компания Schaffner Impulse предлагает фильтры FN92XX (в частности, тип B), соответствующие требованиям стандарта EN/ IEC 60601-1 по уровню тока утечки и рейтингу напряжения. Фильтры предназначены для создания устройств с различными уровнями токов утечки. Группа фильтров типа B (B-type) не имеет в своем составе конденсаторов, подключенных к шине заземления PE, и следовательно, такие фильтры не вносят своего вклада в общий ток утечки системы (рис. 2).

Фильтры типа B (B-type) не имеют в своем составе конденсаторов, подключенных к шине заземления PE

Рис. 2. Фильтры типа B (B-type) не имеют в своем составе конденсаторов, подключенных к шине заземления PE

Schaffner Impulse также предлагает фильтры типа EB. В них для улучшения эффективности фильтрации используется дополнительная индуктивность (рис. 3). По сравнению с фильтрами типа B, фильтры типа EB обеспечивают повышенную стойкость устройств к быстрым выбросам напряжения.

В фильтрах типа EB дополнительная индуктивность используется для улучшения эффективности фильтрации

Рис. 3. В фильтрах типа EB дополнительная индуктивность используется для улучшения эффективности фильтрации

Металлизация элементов для повышения надежности и функциональности медицинских электронных устройств

Металлическое покрытие помогает эффективно бороться с электромагнитными помехами, и в то же время, металлизация не приводит к значительному увеличению веса медицинского оборудования. Кроме того, срок службы оборудования увеличивается. Проводящие материалы, такие как медь, отражают и поглощают электромагнитное излучение, тем самым защищая чувствительные цепи от электромагнитных помех. Таким образом, экран можно реализовать либо в виде металлического корпуса, либо в виде металлического покрытия. Использование проводящего металла в качестве экрана не влияет на производительность системы, метал только блокирует радиоволны и другие формы электромагнитных помех.

Гальванизация может использоваться для покрытия деталей медью, никелем, золотом, серебром и другими металлами, необходимыми для защиты от электромагнитных помех. При гальванизации своей продукции компания Sharretts Plating обеспечивает выполнение требований стандартов качества, в том числе ISO 13485 и ISO: 9001. Это гарантирует, что продукция компании является биосовместимой, то есть гарантирует минимальный риск заражения или отторжения при имплантации устройств.

Заключение

Электромагнитные фильтры для медицинских приложений должны гарантировать минимальный уровень тока утечки, обеспечивать оптимальные габариты и высокую эффективность. Они должны предусматривать возможность использования в условиях типовой медицинской среды.

Защита от электромагнитных помех становится все более сложной задачей, так как люди используют медицинские устройства не только в больницах, но и дома, и в дороге, и вообще повсеместно. По данным Electrical and Electronics Engineers (IEEE), портативные медицинские устройства оказываются более восприимчивыми к электромагнитным помехам, поскольку в них используются низковольтные малопотребляющие схемы. Кроме того, медицинские устройства становятся все компактнее и быстрее, а в их составе появляется все больше цифровых компонентов. Рост быстродействия и увеличение ширины полосы пропускания создает дополнительные проблемы для разработчиков устройств и существенно усложняет решение задачи по обеспечению электромагнитной совместимости.

Источник: https://electronicsforu.com

Производитель: Schaffner Holding Ag.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
FN9222R-3/06
FN9222R-3/06
Schaffner Holding Ag.
Арт.: 603847 ИНФО PDF
Поиск
предложений
FILTER, 3A
FN9222R-3/06
-
Поиск
предложений
FN9222SR-3-06
FN9222SR-3-06
Schaffner Holding Ag.
Арт.: 2122635 ИНФО PDF
Доступно: 71 шт. от 1 шт. от 912,64
Выбрать
условия
поставки
PWR ENT RCPT IEC320-C14 PANEL QC
FN9222SR-3-06 от 1 шт. от 912,64
71 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
FN9222B-1-06
FN9222B-1-06
Schaffner Holding Ag.
Арт.: 2452660 ИНФО PDF
Поиск
предложений
PWR ENT RCPT IEC320-C14 PANEL QC
FN9222B-1-06
-
Поиск
предложений
FN9222SR-15-06
FN9222SR-15-06
Schaffner Holding Ag.
Арт.: 2452671 ИНФО PDF
Доступно: 98 шт. от 1 шт. от 660,72
Выбрать
условия
поставки
PWR ENT RCPT IEC320-C14 PANEL QC
FN9222SR-15-06 от 1 шт. от 660,72
98 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
FN9222-10-06
FN9222-10-06
Schaffner Holding Ag.
Арт.: 2453068 ИНФО PDF
Доступно: 104 шт. от 1 шт. от 622,78
Выбрать
условия
поставки
PWR ENT RCPT IEC320-C14 PANEL QC
FN9222-10-06 от 1 шт. от 622,78
104 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
FN9222R-1-06
FN9222R-1-06
Schaffner Holding Ag.
Арт.: 2453140 ИНФО PDF
Доступно: 75 шт. от 1 шт. от 858,95
Выбрать
условия
поставки
PWR ENT RCPT IEC320-C14 PANEL QC
FN9222R-1-06 от 1 шт. от 858,95
75 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
FN9222R-1-07
FN9222R-1-07
Schaffner Holding Ag.
Арт.: 2573258 ИНФО PDF
Доступно: 40 шт. от 1 шт. от 1208,53
Выбрать
условия
поставки
FILTER, EMI, 1.2A, 250VAC, WIRE LEADED
FN9222R-1-07 от 1 шт. от 1208,53
40 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
FN9222-1-06
FN9222-1-06
Schaffner Holding Ag.
Арт.: 2584059 ИНФО PDF
Доступно: 119 шт. от 1 шт. от 543,10
Выбрать
условия
поставки
PWR ENT RCPT IEC320-C14 PANEL QC
FN9222-1-06 от 1 шт. от 543,10
119 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
FN9233-1-06
FN9233-1-06
Schaffner Holding Ag.
Арт.: 2967755 ИНФО PDF
Доступно: 49 шт. от 1 шт. от 1303,41
Выбрать
условия
поставки
PWR ENT RCPT IEC320-C14 PANEL QC
FN9233-1-06 от 1 шт. от 1303,41
49 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Te Connectivity
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
1-6609028-5
1-6609028-5
Te Connectivity
Арт.: 893679 PDF
Доступно: 33 шт. от 1 шт. от 1956,58
Выбрать
условия
поставки
Single Phase Filters, Voltage (Max): 250VAC;Leakage Current (Max) (250VAC, 50Hz): 0.7mA;Leakage Current (Max) (120VAC, 60Hz): 0.4mA;Current Rating:…
1-6609028-5 от 1 шт. от 1956,58
33 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
1-1609034-1
1-1609034-1
Te Connectivity
Арт.: 905148 PDF
Доступно: 33 шт. от 1 шт. от 1946,94
Выбрать
условия
поставки
Single Phase Filters, Voltage (Max): 250VAC;Leakage Current (Max) (250VAC, 50Hz): 0.36mA;Leakage Current (Max) (120VAC, 60Hz): 0.22mA;Current Ratin…
1-1609034-1 от 1 шт. от 1946,94
33 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
1-1609036-8
1-1609036-8
Te Connectivity
Арт.: 905149 PDF
Доступно: 22 шт. от 1 шт. от 2928,85
Выбрать
условия
поставки
Single Phase Filters, Voltage (Max): 250VAC;Leakage Current (Max) (250VAC, 50Hz): 0.28mA;Leakage Current (Max) (120VAC, 60Hz): 0.16mA;Current Ratin…
1-1609036-8 от 1 шт. от 2928,85
22 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
1-1609034-2
1-1609034-2
Te Connectivity
Арт.: 953168 PDF
Доступно: 17 шт. от 1 шт. от 1751,51
Выбрать
условия
поставки
Single Phase Filters, Voltage (Max): 250VAC;Leakage Current (Max) (250VAC, 50Hz): 1.25mA;Leakage Current (Max) (120VAC, 60Hz): 0.75mA;Current Ratin…
1-1609034-2 от 1 шт. от 1751,51
17 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
1-6609028-3
1-6609028-3
Te Connectivity
Арт.: 955538 ИНФО PDF
Доступно: 42 шт. от 1 шт. от 1525,42
Выбрать
условия
поставки
Single Phase Filters, Voltage (Max): 250VAC;Leakage Current (Max) (250VAC, 50Hz): 0.7mA;Leakage Current (Max) (120VAC, 60Hz): 0.4mA;Current Rating:…
1-6609028-3 от 1 шт. от 1525,42
42 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()