电磁干扰对医疗电子仪器的影响

第24章電磁干擾對醫療電子儀器的影響ElectromagneticInterferencetoMedicalElectronicEquipment儀器系統組博一李隆財學習目標1.電磁干擾(EMI)的定義2.電磁干擾的機制3.電磁干擾對感測器和醫療儀器電路的影響4.抑制電磁干擾的基本方法24-3Introduction(1)電磁干擾是由隨時隨地產生的電能，對電子裝置所造成的一種干擾。有些電磁干擾是自然發生的，例如：閃電。不過本章所討論的，大部分是人為的。以前大部分的電磁干擾問題與軍事有關。例如：美國航空母艦Forestall號，因為電磁干擾，意外的發射一枚火箭，造成134人死亡，27架飛機受損。24-3Introduction(2)現代的汽車也使用大量的電子控制裝置，因此也有電磁干擾的問題。早期的無線電使用者，發現他們無法操控車子，因為電磁干擾，干擾到汽車電腦，使得車子停下來不動了。抗側滑煞車系統也因為電磁干擾的影響，失效了。經過廣播電台也發生相同的問題。飛機上的空服員會跟旅客宣佈，在何種情況下才可使用那種電子裝備。24-3Introduction(3)醫療設備也有電磁干擾的問題：1造成電子控制的電動輪椅失控。2起搏器(Pacemakers)受到微波爐的洩漏微波干擾，目前已有改善。3人工呼吸器(Respirators)工作異常，造成呼吸過速或者呼吸器停止工作。4醫院內嚴禁使用大哥大。進入醫院必須把大哥大關掉，如果沒有關掉，臨近的基地台會自動搜尋(Polling)，也會造成干擾。5除了醫院之外，在救護車上也嚴禁使用無線通訊器材。24-4TypesandSourcesofEMI(1)電磁干擾一般分為輻射干擾、傳導干擾和靜電放電(ESD)等三種。1.輻射干擾包含電場、磁場和電磁場。由空間傳送之電磁干擾，主要是由發射電磁場所導致，干擾源之電源電路、信號輸入、輸出電路及控制電路等的導線，均可形成發射天線而作用。例如：無線電發射機干擾病患監視器(Patientmonitor)，印表機電纜線在列印時所產生的輻射信號等都屬於輻射干擾。24-4TypesandSourcesofEMI(2)2.傳導干擾的干擾波經由導線或導體，而被傳送出去。如果產生干擾之機器與承受干擾之機器共用同一電源線時，則干擾波將經由電源線傳送。例如：吹風機造成電視螢幕的雪花現象，電刀經由病人身體(導體)將射頻能量傳送到ECG，其它如高電壓閃電、電容充電等都是傳導干擾的例子。根據美國國家標準學會(ANSI)對AC電源線的標準脈波定義如下：2000V的尖峰電壓，20μs脈波寬度以及5%的負尖峰。任何電子設備在這種脈波之下能夠正常工作，才算符合標準。24-4TypesandSourcesofEMI(3)3.靜電放電是經由磨擦等機械動作，而在工具、物體及人體所建立的靜電位。一般的電子電路都是低介電強度，只要80V的靜電位就會造成損壞。人體的靜電位高達幾千伏特，如果沒有預防措失，損壞將無法避免。醫院的手術室常用環丙烷(Cyclopropane)及醚(Ether)等具爆炸性的麻醉劑，靜電放電可能引起爆炸。所以在使用這種麻醉劑的房間內必須保持等電位，如導電的地板、移動的器具像靠背椅等必須裝上導電的腳輪、工作人員必須穿上導電鞋或者套上導電鞋套、甚至要罩上棉質或紙做的外袍、內衣也必須是棉質或是紙做的。24-5Fields(1)在正常環境之下，任何電路都可能產生電磁干擾或者要忍受其它電路的電磁干擾。主要的問題為受影響設備附近的信號強度。電場可由標準的偶極方程式求得(24-1)E電場(V/m)P輻射功率(W)D距離(m)K天線因素(0.2~8)方程式24-1不是很好的預估方法，因為環境因素可能造成與預估值相差10到100倍的變化。例如：樹葉或充滿碳的地板會吸收電能，降低信號強度。金屬反射面可能增強或降低信號準位。EKPD24-5Fields(2)磁場隨著電場改變H=E/377Ω(24-2)H磁場(A/m)E電場(V/m)377Ω自由空間的阻抗電場與距離成反比。功率與距離平方成反比。圖24-1距離超過1/3到1/2波長，電場和磁場的下降幅度大略相同，因此以電場代表信號強度。距離接近1/3到1/2波長，磁場與距離的3次方成反比，磁場功率與距離的4次方成反比，這個範圍就是射頻天線或其它的輻射體的近場(near-field)。圖24-1所示為功率準位從0.01W(PCS電話)到1,000W(火腿無線電或小型AM發射機)，保持3V/m電場強度所需的距離。24-6EMIEffects(1)與電磁干擾影響程度相關的一些設計因素1電極線就像天線ECG或EEG監視器既長又沒有屏蔽的病患電極線，所檢拾到的外部能量蠻大的，電極線就像天線。如果線的長度剛好是1/4波長的整數倍(1λ,1λ/2,3λ/4)，就像共振天線，其影響呈倍數成長，奇數倍比偶數倍更為嚴重。24-6EMIEffects(2)2內部電路接地及佈線方法，影響電子設備內部的電磁干擾。將音頻、視頻、數位、小信號儀表、射頻及大信號區域隔開，不要讓它們混合在一起。如果可能，使用不同的印刷電路路板；如果在同一塊板子，則至少也要做空間隔開。24-6EMIEffects(3)3確定所使用的放大器有對稱的轉動率(slewrate)，電晶體偏壓在它們工作範圍的中間點。4適當使用濾波器及屏蔽方法，也有助於提升電路對抗電磁干擾的免疫力。5電磁相容(EMC)的特質包含不會對其它裝置產生電磁干擾。對於外界電磁干擾的耐受程度。24-7Standards,Regulations,andLawFCC(FederalCommunicationCommission)聯邦通訊委員會，是美國管理無線電及電傳通訊，電磁干擾問題的機構。歐洲電機設備的製造商及進口商，必須保證他們的設備不僅不能產生電磁干擾，而且也不能受到其它設備電磁干擾的感染。EC標記就是製造商的保證，代表測試已經完備；設備被標上EC，表示符合EC規定。採購醫療設備時，這個標記基本上就是我們所要找尋的一個優良標記。24-8EMIMitigation臨床工程師及生醫設備技術員有關EMI/EMC的工作1保證所採購的設備堅持適用標準規格。2緩和健康醫療設備電磁干擾問題的影響。分離是緩和輻射電磁干擾影響最好的方法之一。如果目標的場強度維持不大於3V/m，下列的經驗法則很有用：5-W大哥大6m600-mW蜂巢式電話2m10-mWPCS數位電話0.3m如果無法分離，可採用其它方法來緩和電磁干擾影響。以下幾節將探討這些技術。24-9Intermodulationproblems(1)相互調變是由兩個不相關的信號，經過外差混合的效果，產生對一已知頻率信號的干擾。當兩個或兩個以上的信號(F1及F2)出現在接收機或放大器的輸入端，有可能產生額外的頻率信號，額外的頻率信號產生公式如下：(24-3)當放大器或接收機過載時，二階輸出信號準位增加為輸入信號準位的平方倍。三階響應增加為輸入信號準位的立方倍，造成嚴重的問題。當兩個信號的合成強度，驅動接收機射頻放大器或第一級混波器進入更深的非線性區，造成相互調變的問題。接收機輸入射頻放大器動態範圍是否線性，是大部分相互調變干擾產生的主要原因。FmFnFNEW1224-9Intermodulationproblems(2)醫院使用VHF射頻遙測裝置，發生奇怪的相互調變問題。Mr.Jones’sECG同時出現在Mr.Smith’s的頻道上。解決方法：(1)將FM收音機關掉。(2)將收音機調到別的頻道。超外差FM收音機的本機振盪信號(110.4MHz)與Jones的信號(186.2MHz)外差，產生相互調變信號(220.4MHz)在Smith的頻道出現。本機振盪的二次諧波所造成的問題。99.7+10.7=110.4,110.4×2=220.8圖24-2捕獲效應(captureeffect)。24-9-1Somesolutions(1)1確定接收機有良好的屏蔽，廉價的收音機可能沒有屏蔽，高價或大部分的無線電收發機都有適當的屏蔽。如果有破洞，必須用金屬片或銅箔蓋住。2半波短路樁‧當干擾頻率與信號頻率相隔很大，使用同軸電纜半波短路樁，可將干擾頻率短路到地，做天線阻抗匹配。‧短路樁的長度Lft=492V/FMHzV為同軸電纜的速度因子，一般同軸電纜V=0.66，多泡型的同軸電纜V=0.80。‧最適用於干擾信號為VHF範圍或更低的頻率。圖24-324-9-1Somesolutions(2)3依據干擾信號頻率選擇適當的濾波器，低通、高通或帶通濾波器。4圖24-5a為並聯共振陷波器，與信號線串接圖24-5a。並聯共振陷波器在共振頻率阻抗很高，其它頻率為低阻抗，因此可以擋掉不想要的頻率。5圖24-5b為串聯共振陷波器與信號線跨接。圖24-5b在共振頻率為低阻抗，其它頻率則為高阻抗。功能與圖24-3同軸電纜短路樁類似。6圖24-5c則採用串聯和並聯共振陷波器的組合電路，增強其功能。圖24-5c24-9-1Somesolutions(3)7FM廣播電台的干擾，可在75Ω的天線系統加上FM陷波器消除。8家住非常靠近高功率廣播電台時，干擾可能由電源線進來，加上AC電源濾波器可消除這種干擾。9或者在電源線上環繞鐵氧塊(ferrite)，當做RFChoke。10降低線長或將線捲成線圈狀，當線的長度接近共振時，可降低電磁干擾。24-10DealingwithTVI(1)電視干擾(TVI)為無線電通訊及廣播通訊最棘手的問題。所有電子裝置必須執行兩種功能1對所需的信號響應。2消除干擾信號。記住兩條經驗法則1如果發射機所發射的信號不夠乾淨(clean)，避免電視干擾/廣播干擾(TVI/BCI)是無線電操作者的責任。2如果發射機發射的信號很乾淨，TVI/BCI的產生是由於產品設計不良，這是設備擁有者的責任。24-10DealingwithTVI(2)為了敦親睦鄰，無線電操作必須採取下列三個步驟，加以改善。1確定發射機所發射的信號是乾淨的，可用頻譜分析儀、吸收波頻器量策，或者利用RF瓦特表，配合圖24-6之低通濾波器，判斷是圖24-6否有諧波存在。圖24-7在發射機之後有三種頻率選擇元件，低通濾波器、天線調諧器及共振天線，將可降低發射機所產生的諧波成分。圖24-724-10DealingwithTVI(3)2確定是否真的有電視干擾問題，將發射機打開及關閉，檢查是否有TVI，同時確定TV已調整妥當。3電視機加上高通濾波器，只讓大於50MHz的信號通過，大幅衰減HF業餘或CB信號。圖24-8高通濾波器必須裝在TV的天線端，愈靠近愈好，避免造成天線效應。圖24-824-11Dealingwithsignaloverloadproblems(1)無線電接收機的干擾可分類為同一頻道干擾、相鄰頻道干擾及遠端頻道干擾。1同一頻道干擾干擾信號與信號出現在同一頻道，最好的方法就是使用指向性的天線，接收所圖24-9要的信號，排除干擾信號。例如：圖24-9半波偶極天線，圖24-10的八木天線，克服同一頻道干擾，將天線的Null端指向干擾信號的方向。圖24-1024-11Dealingwithsignaloverloadproblems(2)2相鄰頻道干擾發生在某些站台的頻率與接收頻率非常接近。可用陷波器加以克服，或者改用動態範圍較佳或選台特性較好的接收機3遠端或頻率外的干擾由於一個很強的不相關的本地信號，與接收的信號不太接近，所造成的干擾。這種狀況可用陷波器、帶通濾波器或帶止濾波器加以改善。24-11Dealingwithsignaloverloadproblems(3)無線電接收機四種基本過載問題1接收不靈敏：由於一個很強的本地信號，過度驅動RF放大器或其它的前端元件所造成，使得想要接收信號的動態範圍變得非常小。2產生干擾諧波：大都是鄰近的AM廣播電台，讓接收機過載進入非線性工作區所造成，因為非線性的電子電路會產生大量的諧波。3信號失真：發生在接收機的動態範圍無法處理強的本地信號時