电磁干扰对医疗电子仪器的影响.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,PPT,文档演模板,Office,PPT,04 十一月 2026,电磁干扰对医疗电子仪器的影响,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,24-3 Introduction,(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。,24-3 Introduction,(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。,24-3 Introduction,(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。,24-4 Types and Sources of EMI,(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(Patient monitor)，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。,24-4 Types and Sources of EMI,(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，20s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。,24-4 Types and Sources of EMI,(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。,24-5 Fields,(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(0.28),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。,24-5 Fields,(2),磁場隨著電場改變,H =E /377,(24-2),H 磁場 (A/m)E 電場(V/m),377 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。,24-6 EMI Effects,(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(1,1/2,3/4)，,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。,24-6 EMI Effects,(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。,24-6 EMI Effects,(3),3 確定所使用的放大器有對稱的轉動率,(slew rate)，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。,24-7 Standards,Regulations,and,Law,FCC,(Federal Communication Commission),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。,24-8 EMI Mitigation,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 6 m,600-mW 蜂巢式電話 2 m,10-mW PCS數位電話 0.3 m,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。,24-9 Intermodulation problems,(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。,24-9 Intermodulation problems,(2),醫院使用VHF射頻遙測裝置，發生,奇怪的相互調變問題。,Mr.Joness ECG同時出現在,Mr.Smiths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,(110.4 MHz),與Jones的信號,(186.2 MHz),外差，產生相互調變信號,(220.4 MHz),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=110.4,110.42=220.8 圖 24-2,捕獲效應(capture effect)。,24-9-1 Some solutions,(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 L,ft,=492V/F,MHz,V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 24-3,24-9-1 Some solutions,(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24-5c,24-9-1 Some solutions,(3),7 FM 廣播電台的干擾，可在75 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RF,Choke。,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。,24-10 Dealing with TVI,(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。,24-10 Dealing with TVI,(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24-7,24-10 Dealing with TVI,(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24-8,24-11 Dealing with signal overload problems,(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24-10,24-11 Dealing with signal overload problems,(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,。,24-11 Dealing with signal overload problems,(3),無線電接收機四種基本過載問題,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。,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。,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，解決方法就是衰減干擾信號。,相互調變問題：24-9節已有詳細說明。,24-11-1 Attenuators,衰減器是一個能將輸入到輸出之間,產生損失的電子電路，衰減比例表,示方式如下：,(24-4),(24-5),設計衰減器必須確定裝置是電阻性，,衰減器的輸 入及輸出阻抗必須與天,線輸入阻抗相同。,圖24-11為使用在接收機電路的衰減器,，不能使用線繞電阻，因為有過量的,電感成分。,圖24-11,24-11-2 Wavetraps,(1),陷波器是一種可衰減單一頻率或非常窄頻,帶的電路。,圖24-12a為並聯及串聯陷波的組合電路，,圖24-12b實線的波形為並聯陷波電路，在,共振頻率時阻抗最大。虛線部分的波形為,串聯陷波電路，在共振頻率時阻抗最小。,在實際應用電路，常合併使用並聯及串聯,共振陷波器，如果調到同一個共振頻率，,則可對單一頻率做最大的衰減控制。,如果調到不同頻率就是雙頻陷波器。,圖24-12,24-11-2 Wavetraps,(2),陷波器的振盪頻率計算公式如下：,24-11-3 Bandstop wavetrap,帶止陷波器可衰減整個,頻帶的信號，大部分用,在大都市裏，做為AM,廣播頻帶的衰減。,圖24-13為AM廣播頻帶的,帶止陷波器，在此電路中,必須特別注意，線圈必須,相隔2公分以上，並且將,L,3,L,4,及L,5,與L,1,/L,2,垂直放置。,圖24-13,24-11-4 High-pass filters,圖24-14a適合75,阻抗的,天線電路，同軸電纜輸入,接收機使用。,圖24-14b適合平衡型300,雙饋線系統。,圖24-14,圖24-15a為一通用的高通,濾波器電路圖,。,圖24-15b為濾波器的頻率,響應曲線,。,圖24-15,24-12 ECG equipment and EMI,解決ECG電磁干擾問題的方法，就是加入低通濾波器，擋掉射頻信號，只讓ECG信號通過。,濾波器只取出屬於ECG波形的0.05到100Hz的那一段頻譜。,射頻低通濾波器有很高的截止頻率，不會影響ECG波形。,圖24-16,24-13 EMI to biomedical sensors,(1),大部分的生醫感測器因為所產生的信號準位極,低所以對電磁干擾非常敏感。,穿透,(penetration),、洩漏,(leakage),及傳導,(conduction),為EMI進入感測系統的三個路徑。,圖24-17a說明穿透方式。電磁波切,割感測器及電路產生RF電流，這些,RF電流變成有效信號，被半導體元,件的PN接合偵測到，造成干擾。,解決方法是加上密封的金屬屏蔽。,圖24-17a,24-13 EMI to biomedical sensors,(2),洩漏發生在電磁波經由小的裂縫或破洞，,進入屏蔽機殼。只要有半波長的狹縫就會,讓RF進入屏蔽隔間內,信號頻率波長為,meters,=,300,/f,MHz,，,150MHz,的信號波長為2 m，沒有問題。在微波範,圍，波長只有幾公分或幾毫米，變成大問,圖24-17b,題。,圖24-17c為傳導電磁干擾示意圖，發生在,信號感應電流進入暴露在外的電源、接地,、控制或信號線，進出屏蔽隔間。電磁干,擾信號在隔間內再輻射，被感測電路拾取,，造成干擾。,圖24-17c,24-13-1 Some solutions,(1),圖24-18a濾波器法,。,在RF信號到達感測器或,電子電路之前，以濾波,器加以衰減。,如果電磁干擾,濾波器要,安裝在AC電源線上時,，必須確定為,AC電源線,圖24-18a,適用的濾波器,。,24-13-1 Some solutions,(2),圖24-18b採用雙重屏蔽,，,同時加上濾波器的組,合方式,。,感測器位於內成層的屏,蔽隔間,，,電磁干擾濾波,器(RFC/C,1,/C,2,)位於電纜,線連接器及內層屏蔽隔,圖24-18b,間之間,。,