醫用測量設備抗干擾技術探討

王燕妮 李傳偉

1威海市立醫院 （ 威海 264200）

2威海職業學院 （ 威海 264210）

從事醫療測量設備開發的技術人員和使用醫療測量設備的醫護人員，都知道干擾信號是影響測量結果的主要原因。對于測量中出現的各種無用信號我們稱之為噪音，它對正常的有用信號的

1.醫用測量設備常見干擾

傳輸進行擾亂，使得測量出現誤差。對此我們可以采取屏蔽、濾波等多種抗干擾技術來抑制噪聲，因此醫用測量設備的抗干擾技術十分重要。

1.1 常見干擾方式

通常干擾分為差模干擾、共模干擾和串模干擾。差模干擾就是線與線之間的干擾，如電源相線與中線之間的干擾。對三相電路而言，相線與相線之間的干擾也是差模干擾。差模干擾有時也稱為常模干擾、橫模干擾或對稱干擾，這是載流體之間的干擾。共模干擾一般指在兩根信號線上產生的幅度相等，相位相同的噪聲，往往是指同時加載在各個輸入信號接口段的共有的信號干擾，共模干擾是在信號線與地之間傳輸，屬于非對稱性干擾。串模干擾是指干擾電壓與有效信號串聯疊加后作用到儀表上的，串模干擾通常來自于高壓輸電線、與信號線平行鋪設的電源線及大電流控制線所產生的空間電磁場。

表1. 醫用測量設備常見干擾

1.2 常見干擾種類

醫療測量設備常見干擾表現的形式很多，可以從持續期很短的尖峰干擾到電源的完全丟失，概括起來包括自然干擾和人為干擾，常見干擾如表1所示。

1.3 干擾對醫療測量儀器設備的影響

各種與人體直接接觸的醫療測量設備，如心腦電圖機、監護儀、超聲診斷儀等，是直接檢測人體生物電信號的儀器設備。由于測量信號非常微弱，受到干擾就會在檢測結果上產生似于某些病變的畸變造成誤診，同時還會引起微電擊，嚴重時還有生命危險。對于帶有計算機系統的測量儀器，當共模干擾中的尖峰干擾幅度達到2V～50V，時間持續數微秒時，可引起計算機邏輯錯誤、信息丟失等。強磁場會使顯像管、X線影像增強管顯示圖象變形失真，加速器射線偏移，計算機磁盤記錄數據破壞，呼吸機工作失靈，心臟起博器工作失效等。

2.提高醫用測量設備的抗干擾能力

2.1 醫用測量設備電路設計要合理

測量設備電路要選擇合適的工作點，這樣干擾就會小，如圖1所示。在電路中接入R3和電容C，因為流過R1和R2電流較大，從而產生低頻噪聲較大，C的接入是將此噪聲短接入地；而R3的接入避免基極信號短接入地，R3上的低頻噪聲干擾就不能加V管基極，故產生的低頻噪聲干擾就很小。

2.2 選擇的元器件噪聲要低

采用穩壓二極管做電源在使用時，應選用齊納穩壓二極管，并在穩壓管兩端并接一個大電容，這樣部分干擾信號可以通過電容接入大地，能夠進一步減小干擾信號，進一步減小電源干擾信號對電路的影響。同樣還可以選用溫度系數較小的元器件或無電感器件等來抑制干擾信號。

圖1. 噪聲干擾消除電路

圖2. 電源濾波電路原理圖

圖3. 電磁干擾形成

2.3 選擇適宜的濾波器

合適的濾波器在電路中能夠減小電路的干擾信號，對于電路中的電源噪聲干擾就可以采用濾波器濾除干擾信號。正常頻率在100Hz，當頻率較大時意味著出現故障了，干擾信號也就隨之增大，就需要濾除干擾噪聲信號，如圖2所示，只有進行RC濾波，才能為A1、A2提供電源。

2.4 濾除寄生耦合干擾

我們知道電源內阻不可能為零，因此電路中的各種信號通過電源內阻R0時會產生壓降。這個交流壓降信號會隨直流送到各級電路中，產生寄生耦合，寄生耦合在電路中能夠形成正反饋，對于電路中的儲能元件，還會形成振蕩。為了防止寄生耦合的干擾，可以采用RC濾波電路。當電路工作頻率較高時，則可采用LC濾波電路來濾除寄生干擾。在每級電路的大容量電解電容旁邊并聯一個相對較小的非電解電容，在高頻時能夠形成較大的阻抗，可消除寄生電感產生的干擾。

2.5 減小電子儀器內的配線干擾

醫療測量儀器內部的配線包含電源線、信號線、控制線等，不要捆扎在一起，防止互相產生干擾。對于電磁感應來說，盡量將導線遠離強電設備及動力網，調整走線方向及減小導線回路面積都是必要的，調整走線方向以及兩信號線以短的節距絞合，干擾電壓就能降為原有的1/10～1/100；對于靜電感應來說，當把兩信號線采用雙絞合的形式絞扭且使兩根信號線到干擾源的距離大致相等時（常把導線絞成為直徑20倍的節距），就能使信號回路所包圍的面積大為減小，使電場通過在兩信號線上的感應耦合進入回路的串模干擾電位差大為減少。

2.6 屏蔽電磁干擾信號

電磁干擾多來源于空間電磁耦合形成，有靜電干擾和電磁干擾。干擾源通過分布電容產生干擾信號，電容值越大，產生的干擾就越大。對于弱信號的測量，信號引線要盡量短，盡量減小分布電容和寄生電感。電磁干擾是干擾源與被干擾源器件之間耦合產生，如圖3所示。有外部電磁干擾和測量儀器內部器件產生的干擾，儀器內部帶磁芯的電感和變壓器等都是重要的干擾源，對電磁干擾最敏感，為減小電磁干擾，要對電磁敏感器件進行屏蔽，如把干擾源置入用金屬做成的屏蔽盒內。對于線路中的高頻振蕩電路，也可加裝屏蔽盒來抑制干擾。

2.7 醫療測量設備的接地

醫用測量設備的接地電阻要小，一般接地電阻應不大于0.1～0.3Ω，這樣可以確定基準電位并且能保護操作人員避免觸電。接地點選擇不當就會使接地點電位發生變化，如果線路的接地阻抗較大，則信號電流流過該阻抗時將會產生壓降，使電路基準電位發生變化。另外兩個以上接地點很容易形成閉合環路，兩接地點間電位差和對環路的電磁感應使環路中出現電流從而產生電壓降，也會使電路中的基準電位發生變化。因此要抑制接地不當引起的干擾，就要減小接地阻抗，避免接地回路出現電流，可采用一點接地和并聯接地的方法。對于高頻信號電路要求就近接地，減小接地感抗，接地線過長容易產生振蕩，改變基準電壓值。

3.強場源下的醫療測量設備抗干擾技術

在輻射環境下干擾信號都比較強，所產生的強電場、磁場、輻射效應、電磁現象等形成復雜干擾信號和對地電流，嚴重地影響著醫療測量設備的正常工作。

3.1 測量系統內部抗干擾技術

在強場源下的測試儀器為了盡可能減小干擾，應該在電路的輸入級采用限幅、鉗位保護電路和門控自鎖電路等，圖4就是門控自鎖電路，當被測試信號被系統接收后通過了門電路，此時門電路被控制信號控制而關閉，干擾信號就被隔離從而達到抑制干擾的目的。

在強場源環境下，要把測試信號傳輸到接收記錄端，需要對測量設備內部的線路進行選擇和信號處理，把模擬信號變成抗干擾強的數字信號進行傳輸。

3.2 測量設備外部抗干擾技術

在強場源下干擾信號非常大，容易形成很強的電磁干擾。因此對于傳輸電纜需要進行屏蔽，通?？梢圆捎秒p屏蔽電纜，內屏蔽金屬網懸掛，外屏蔽金屬網接地，這樣可以很好地減小干擾。對于測量設備探頭和儀器的連接部分是產生干擾的主要部分，因此可以將儀器設備放置在一個具有屏蔽性好的金屬殼體內，而且探頭和儀器連接部分要采取抗干擾措施，如采用屏蔽網來泄漏地電流等產生的干擾，屏蔽層需要接地。

3.3 強場源下接地抗干擾技術

對于強場源下的接地電阻應該越小越好，電纜外部屏蔽網要盡可能一點接地，盡量不要出現多點接地，因為在強場源下兩點接地會有強電流流過，產生很大的電位差，會使傳輸信號的基準電位發生變化，產生干擾信號，使得最終結果產生誤差。

3.4 光電耦合技術的應用

利用光電耦合技術在強場源下進行信號的傳輸，就是利用發光二極管把電信號轉變為光信號，通過光纜或光纖進行傳輸，接收器再經光電轉換，把光信號轉換成電信號。因為信號是通過光進行傳輸的，不存在電平比例關系。在進行數字信號傳輸時可以采用光電耦合技術，并且能夠有效地抑制干擾。

圖4. 門控電路工作原理

4.結論

如何盡量減小干擾對醫療測量儀器的影響，應該引起從事醫療測量儀器開發研制和使用人員的高度重視。作為設計者要精心設計，儀器組裝要精益求精；作為使用者，要正確按照設備使用說明書或技術說明書安裝、操作，只有這樣才能充分利用抗干擾技術，有效地減小醫療測量儀器的測量誤差。

[1]王健.電磁干擾對醫療設備的影響及解決辦法.醫療設備信息, 2006, 7: 100-101.

[2]林一蘇.電磁干擾下的醫療設備電磁兼容研究. 南昌高專學報, 2008,8: 167-169.

[3]唐莉萍.電磁兼容與醫療設備.中國醫療器械信息, 2008, 6:43328-329.

[4]于敏.光電隔離技術在醫療設備控制上的應用.中國醫療設備, 2008,5:41-43.