Kompatybilność elektromagnetyczna w urządzeniach medycznych

W przypadku wielu urządzeń, zwłaszcza takich o małych gabarytach, podejście do projektowania jest proste i bazuje na podstawowych praktykach w zakresie EMC, takich jak ekranowanie i filtrowanie. Jednak wraz ze wzrostem złożoności wyposażenia, ochrona całego układu może z różnych powodów okazać się niemożliwa.

Wyposażenie diagnostyczne, systemy do zastrzyków, lasery interwencyjne oraz inne urządzenia mogą zawierać silniki elektryczne, lampy o dużej mocy czy komponenty zasilające, dlatego podczas pracy może być wymagany dostęp z zewnątrz.

Uzyskanie kompatybilności elektromagnetycznej w złożonych układach nie jest proste, ale projektowanie w zgodzie z kilkoma podstawowymi wskazówkami wyeliminuje wiele problemów i ograniczy efekty nieuniknionych usterek. Zastosowanie w całym układzie nowoczesnych technik kontroli zaburzeń elektromagnetycznych (EMI) zminimalizuje konieczność podejmowania niestandardowych kroków w ostatniej chwili. Kwestie dotyczące EMC są opisane w normie IEC 60601.

W znacznej części świata, m.in. w USA i Europie, zgodność ze standardem jest obowiązkowa i rygorystycznie przestrzegana. Norma określa zarówno odporność na zaburzenia zewnętrzne, jak i porusza kwestie emisji własnej.

Główny nacisk położony został jednak na odporność, gdyż to od niej zależy bezpieczeństwo pacjentów. Oznacza ona niewrażliwość na zewnętrzne pola elektryczne i magnetyczne, interferencje radiowe przewodzone (RFI), zaburzenia sieciowe i wyładowania elektrostatyczne.

Wymagania w zakresie emisji określają natomiast maksymalną dopuszczalną energię wychodzącą z urządzenia celem minimalizacji interferencji z pobliskim wyposażeniem elektronicznym, głównie odbiornikami fal radiowych, co ma zapewnić właściwą pracę urządzenia w otoczeniu.

Podstawy uziemienia

W kwestii uziemienia kluczowa jest impedancja drogi ziemnopowrotnej. Jeśli co najmniej dwa obwody mają wspólną drogę uziemiającą, to spadki napięć wzdłuż niej będą jednakowe.

Napięcie wytwarzane przez jeden obwód jest dla drugiego sygnałem niepożądanym wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z przepływem sygnałów lub prądów doziemnych: na płytce drukowanej, przewodach połączeniowych czy elementach obudowy itd. Uziemienie w jednym punkcie z reguły rozwiązuje problemy z interferencjami elektromagnetycznymi oraz zaburzeniami audio.

Na rysunku 1 masa jest rozwarta w punkcie X i przeniesiona do wspólnego punktu, jak wskazuje linia przerywana. Najczęściej jednak uziemienie w jednym punkcie nie jest możliwe do wykonania. Co gorsza, nie nadaje się dla w.cz., ponieważ indukcyjność drogi oraz fale stojące powodują spadki napięcia, a pojemność pasożytnicza rozprasza się przez alternatywne ścieżki.

W takiej sytuacji preferowanym sposobem opanowania EMI powinno być uziemianie przez drogi o niskiej impedancji. Najistotniejsze jest jak najczęstsze stosowanie uziemienia bez obawy o pętle masy. W przypadku uziemienia wielopunktowego jedyną możliwością jest uzyskanie jak najniższej impedancji.

W tym celu należy wykorzystać związane ze sobą w niewielkich odstępach szerokie elementy metalowe, takie jak np. arkusze blachy. Jeśli nie jest dostępna metalowa obudowa, to jedyną alternatywą pozostaje uziemianie poprzez przewody lub taśmy uziemiające, co jednak nie jest rozwiązaniem pożądanym, gdyż zbyt duża indukcyjność nie zapewni skuteczności powyżej pasma audio.

Połączone ze sobą powierzchnie muszą być przewodzące i mieć duży obszar kontaktu, a do połączeń doziemnych nie należy stosować gwintów śrub, zawiasów, zatrzasków i łożysk. Reasumując, uziemienia wielopunktowe są niezbędne dla w.cz., a jednopunktowe lub ich brak - bardziej odpowiednie w przypadku silników i układów analogowych m.cz.

Podstawy ekranowania

Rys. 1. Wpływ impedancji masy na układ

Każde urządzenie elektroniczne jest narażone na interferencje emitowane z zewnątrz. Aby im zapobiec, stosuje się metalowy ekran (rys. 2) pozwalający w większości przypadków zatrzymać również emisję wychodzącą z urządzenia.

Interferencje wchodzące lub wychodzące z obudowy na zasadzie przewodnictwa poprzez drogi zasilające lub sygnałowe muszą zostać zatrzymane przez ekranowanie lub filtrowanie przewodów, co może wystarczyć do spełnienia wymogów zgodności.

Należy jednak pamiętać, że wyposażenie musi być odporne również na interferencje wewnętrzne. Dobre ekranowanie wymaga niemal pełnego zamknięcia, dlatego należy zminimalizować liczbę otworów i spoin.

Dobrą wskazówką może być utrzymanie najdłuższego wymiaru otworu na poziomie mniejszym niż 1/20 długości fali λ dla najwyższej możliwej częstotliwości. Najwyższa potencjalna częstotliwość, na którą narażony jest układ, to z reguły 1 GHz, która jest maksymalną częstotliwością używaną w testach odporności i emisji.

W takim przypadku maksymalny wymiar otworu - 1,5cm. Ekranowanie może być wykonane z dowolnego przewodzącego materiału. Jego grubość nie ma większego znaczenia, gdyż powłoki przewodzące zapewniają wystarczającą skuteczność ekranującą dla w.cz.

W zdecydowanej większości przypadków ograniczeniami są szczeliny, zatem kluczowe jest ich zamykanie. Wyjątkiem jest ekranowanie pól magnetycznych n.cz., szczególnie 50-60 Hz, dla których wymagane są materiały grube i przepuszczalne.

W zależności od aplikacji przewody przechodzące przez ekran muszą być ekranowane (linie w.cz.) lub filtrowane (linie m.cz. i zasilające). Przewody mające kontakt z pacjentem są zasadniczo niemożliwe do pełnego ekranowania, ponieważ od strony pacjenta muszą być odsłonięte.

Ekranowanie układu

Ekran elementów powinien być szczelny, tak by niechciana energia nie wydostała się na zewnątrz, a energia zewnętrzna nie przenikała do środka. W skrajnym przypadku na emisję zewnętrzną może być podatny jeden układ, zatem tylko on powinien być ekranowany.

Natomiast jeśli potencjalnym problemem będzie cała płytka drukowana, to rozwiązaniem może być ekranowanie jej w całości. Gdy w urządzeniu jest kilka płytek PCB, to ekranowana może być cała kaseta. Projektanci nie są ograniczeni do stosowania tylko jednego ekranu, jeśli będą postępować w zgodzie z zasadami ekranowania, a przewody przechodzące przez ekran będą również ekranowane lub filtrowane (rys. 3).