醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容整改中電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用

【摘要】本文闡述了醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容測試、電磁屏蔽技術(shù)、屏蔽材料以及電磁兼容測試中電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用，選取發(fā)射試驗無線電業(yè)務(wù)的保護（輻射騷擾）和抗擾度試驗靜電放電（ESD）進行案例分析，利用電磁屏蔽技術(shù)討論整改措施，為醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容整改提供新的思路。

【關(guān)鍵詞】電磁屏蔽；醫(yī)用電氣設(shè)備；電磁兼容；整改；屏蔽材料

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.05.047

Application of Electromagnetic Shielding Technology in the Rectification of Electromagnetic Compatibility of Medical Electrical Equipment

LIU Peng1， WANG Hongyang1， CHEN Rui2

（1.Liaoning Medical Device Test Institute， Shenyang 110171， China； 2.China Taier System Laboratory， Beijing 100000， China）

Abstract： This article elaborates on the electromagnetic compatibility testing， electromagnetic shielding technology， shielding materials， and the application of electromagnetic shielding technology in electromagnetic compatibility testing of medical electrical equipment. It selects the protection （radiation disturbance） and immunity test electrostatic discharge （ESD） of radio services in emission testing for case analysis， and uses electromagnetic shielding technology to discuss rectification measures， providing new ideas for the electromagnetic compatibility rectification of medical electrical equipment.

Keywords： electromagnetic shielding； medical electrical equipment； electromagnetic compatibility； rectification； shielding materials

0引言

近年來，隨著電子信息和電氣技術(shù)的迅速發(fā)展，醫(yī)療機構(gòu)中廣泛應(yīng)用了多種電子電氣設(shè)備，包括有源醫(yī)療器械。這導(dǎo)致了電磁兼容問題的復(fù)雜性日益增加。在共同的電磁環(huán)境中，電子電氣設(shè)備之間可能相互產(chǎn)生電磁干擾。考慮到醫(yī)用電氣設(shè)備的特殊性，其電磁兼容性問題需要特別關(guān)注。自我國實施強制電磁兼容檢測政策以來，設(shè)備制造商對電磁兼容測試投入了極大的關(guān)注。在醫(yī)用電氣設(shè)備的早期研發(fā)和最終檢測階段，電磁屏蔽技術(shù)被廣泛采用。本文將重點討論如何應(yīng)用電磁屏蔽技術(shù)來增強醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容性能，并提升設(shè)備檢測的一次通過率。為了全面理解電磁屏蔽技術(shù)，本文將逐一討論電磁兼容測試、電磁屏蔽、屏蔽材料、屏蔽措施以及屏蔽技術(shù)。

1醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容測試概述

根據(jù)YY 9706.102—2021《醫(yī)用電氣設(shè)備第1-2部分：基本安全和基本性能的通用要求并列標準：電磁兼容標準解讀》分為兩大類：發(fā)射試驗（EMI）和抗擾度試驗（EMS），共有11個試驗項目。其中，輻射發(fā)射、傳導(dǎo)發(fā)射、電快速瞬變脈沖群和靜電放電這四個試驗最容易出現(xiàn)不合格情況，整改率較高。電磁兼容測試對試驗場地有較高要求，其中輻射發(fā)射和射頻電磁場輻射騷擾抗擾度要求在電波暗室內(nèi)進行，傳導(dǎo)發(fā)射可以在電磁屏蔽室或者電波暗室內(nèi)進行，其他試驗項目可在普通實驗室進行。受試驗場地限制，若被測醫(yī)用電氣設(shè)備在測試中未能達到標準而需要進行整改，這將不可避免地延長測試周期，并增加企業(yè)的測試成本，進而影響醫(yī)用電氣設(shè)備正常的評審與注冊流程。

2電磁屏蔽

2.1電磁屏蔽的作用

有源醫(yī)用電氣設(shè)備在待機或者工作時會向外輻射電磁波，對周圍的帶電設(shè)備（包括醫(yī)用電氣設(shè)備）產(chǎn)生電磁干擾，醫(yī)院經(jīng)常發(fā)生多個醫(yī)用電氣設(shè)備在同一空間同時工作的情況。這些同時工作的設(shè)備會產(chǎn)生復(fù)雜的電磁干擾，如高頻電刀在工作時會產(chǎn)生強電磁干擾，對手術(shù)室內(nèi)其他設(shè)備的正常工作造成影響，尤其是監(jiān)護設(shè)備。

電磁能量傳輸?shù)膬煞N方式為輻射性耦合和傳導(dǎo)性耦合，可分別采用電磁屏蔽和濾波方式進行抑制。電磁屏蔽是利用導(dǎo)電或者導(dǎo)磁材料做成屏蔽體，對經(jīng)過的電磁波進行反射、吸收以及通路分流疏導(dǎo)[1]，電磁屏蔽能夠有效抑制或削弱電磁輻射能量的傳播。在實際應(yīng)用中，可以對輻射頻率進行計算分析，找到輻射源以及選擇相應(yīng)材料制成屏蔽體，最后加工出屏蔽體。

2.2醫(yī)用電氣設(shè)備電磁屏蔽分類

根據(jù)電磁屏蔽原理分為：電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁屏蔽。

2.2.1醫(yī)用電氣設(shè)備電場屏蔽

電場屏蔽主要是為了防止電子元器件或設(shè)備間的電容耦合[2]，可分為靜電屏蔽和交變電場屏蔽，其中靜電屏蔽利用范圍相對較廣。醫(yī)用電氣設(shè)備通常采用金屬屏蔽體的方式，且屏蔽體接地，完成靜電屏蔽。靜電屏蔽的兩個條件：1）金屬屏蔽體；2）接地。

2.2.2醫(yī)用電氣設(shè)備磁場屏蔽

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的磁場會產(chǎn)生電流，變化的電流也會產(chǎn)生磁場。因此，變化的電流會產(chǎn)生磁場干擾，某些對磁場敏感的醫(yī)用電氣設(shè)備就會被干擾，如影像診斷類設(shè)備受到磁場干擾導(dǎo)致圖像失真。磁場屏蔽是將磁力線封閉在屏蔽體內(nèi)，抑制磁場穿過屏蔽體，為磁場提供低磁阻通路來分流磁場[2]，磁場屏蔽可有效抑制磁場耦合干擾。

2.2.3醫(yī)用電氣設(shè)備電磁屏蔽

電磁屏蔽是利用屏蔽體對電磁場傳播進行有效抑制或者削弱的方法。反射衰減是指電磁波到達屏蔽體表面時發(fā)生反射的現(xiàn)象，吸收衰減是指電磁波進入屏蔽體時產(chǎn)生衰減的現(xiàn)象。

屏蔽層的特性阻抗決定反射衰減效果，應(yīng)根據(jù)電磁騷擾頻率選擇屏蔽層的材料，為了達到理想的反射衰減效果，特性阻抗應(yīng)與空氣阻抗相差盡可能大[3]。吸收衰減的衰減效果由屏蔽層厚度和電磁波頻率決定，電磁波在空氣和屏蔽體內(nèi)發(fā)生多次反射就會形成感應(yīng)渦流，導(dǎo)致能量被削弱。

3屏蔽材料

3.1屏蔽材料的作用

屏蔽材料的作用是抑制電磁干擾，隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，屏蔽材料的屏蔽效能顯著提高。

3.2屏蔽材料分類

電磁屏蔽材料按組成分為3類：金屬屏蔽材料、表面導(dǎo)電型屏蔽材料、填充復(fù)合型屏蔽材料[4]。

3.2.1金屬屏蔽材料

金屬屏蔽材料具有良好導(dǎo)電率和磁導(dǎo)率，其優(yōu)點是易獲取、屏蔽效果好，缺點是金屬成本高、屏蔽波段固定及易腐蝕等。

3.2.2表層導(dǎo)電型屏蔽材料

表層導(dǎo)電型屏蔽材料是在設(shè)備表面貼金屬箔或噴導(dǎo)電金屬漆，該方法具有效果明顯、易操作、導(dǎo)電性好等優(yōu)點，缺點是可重復(fù)性差、耐久性差。常用的金屬漆有碳漆、銅漆等。碳漆抗腐蝕性強、價格低、便于獲取，被廣泛應(yīng)用。

3.2.3填充復(fù)合型屏蔽材料

填充型復(fù)合屏蔽材料是將絕緣橡膠材料、導(dǎo)電材料和其他助劑混合注塑而制成[5]。常用的有導(dǎo)電橡膠，與傳統(tǒng)屏蔽材料相比，其具有成型快速、延展性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點。作為一種新型材料，填充型復(fù)合屏蔽材料已經(jīng)被各生產(chǎn)廠商所重視。

4電磁屏蔽技術(shù)應(yīng)用舉例

電磁屏蔽技術(shù)在電磁兼容測試中至關(guān)重要，屏蔽材料的科學(xué)選擇以及屏蔽體的合理設(shè)計能解決很多電磁兼容問題，生產(chǎn)企業(yè)在醫(yī)用電氣設(shè)備研發(fā)階段往往忽視電磁屏蔽技術(shù)的運用，導(dǎo)致電磁兼容送檢一次性通過率非常低，測試過程中整改會造成產(chǎn)品的注冊周期延長。對于整改項，制造商要根據(jù)其原因提出整改方案，本文針對實際測試中最容易出問題的兩個試驗展開討論，即無線電業(yè)務(wù)的保護（輻射騷擾）和靜電放電（ESD）。

輻射發(fā)射試驗可以測試醫(yī)用電氣設(shè)備對外輻射是否符合標準要求，試驗方法以及選取測試限值要依據(jù)標準GB 4824—2019《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備射頻騷擾特性限值和測量方法》[6]。

測試結(jié)果超出限值時，可以從加強電磁屏蔽的角度進行整改，如果醫(yī)用電氣設(shè)備是金屬外殼，可采用導(dǎo)電橡膠充分填充被測設(shè)備殼體縫隙，達到密閉縫隙的效果，并且加固金屬外殼接地，最大限度地降低設(shè)備對外輻射；如果醫(yī)用電氣設(shè)備是非金屬外殼，可以在殼體內(nèi)側(cè)貼金屬箔或者噴導(dǎo)電金屬漆，以達到屏蔽目的。

使用導(dǎo)電橡膠、金屬箔或者導(dǎo)電漆進行屏蔽時，要注意醫(yī)用電氣設(shè)備外殼拼接處的縫隙，這個縫隙會成為電磁波對外輻射的“天線”，導(dǎo)致輻射發(fā)射試驗不合格；在進行屏蔽時要保證不同材料表面有良好的接觸，并保持一定的壓縮量[7]。

依據(jù)靜電放電標準GB/T 17626.2—2018《電磁兼容試驗和測量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗》[8]，靜電放電抗擾度試驗分為直接放電和間接放電，間接放電包括水平耦合板和垂直耦合板，直接放電包括接觸放電和空氣放電。靜電放電試驗對被測醫(yī)用電氣設(shè)備內(nèi)部電路的直接沖擊較大，靜電放電試驗的一次性通過率不高，尤其帶有觸控屏的設(shè)備，對該試驗極為敏感，容易出現(xiàn)花屏、死機等不合格情況。

接觸放電的放電點在醫(yī)用電氣設(shè)備的金屬部件，作用電壓為±2 kV、±4 kV、±6 kV，空氣放電的放電點在醫(yī)用電氣設(shè)備的非金屬部件，作用電壓為±2 kV、±4 kV、±8 kV。靜電放電具有能量高、寬頻廣的電磁騷擾特性[7]，干擾途徑有兩種：瞬態(tài)大電流直接放電、空間耦合間接放電。由于靜電放電具有上升沿時間短、能量高、頻譜廣等特點，靜電泄放路徑中的長導(dǎo)線容易形成耦合磁場，影響設(shè)備正常工作。

靜電放電的能量形式以共模為主，干擾最終會以電流形式流向大地，因此整改時可以考慮縮短泄放路徑，即盡量減小靜電接觸點與接地點的距離，還可以對敏感元器件加強電磁屏蔽防護，隔絕靜電干擾。靜電干擾具有瞬時寬頻屬性，靜電泄放路徑如果環(huán)繞敏感電路會對此電路造成靜電干擾，可以采用屏蔽罩與接地方式降低靜電干擾。考慮到電路散熱問題，設(shè)計電磁屏蔽罩包裹電子器件或內(nèi)部電路時，屏蔽罩不能完全封閉，開孔盡量小以保證屏蔽效果，屏蔽罩的接地路徑要短以保證靜電干擾快速泄放。此外，還應(yīng)注意屏蔽罩的延展性。

5結(jié)束語

綜上所述，從醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容測試、電磁屏蔽技術(shù)、屏蔽材料以及電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用這幾個方面綜合探討電磁屏蔽，討論了屏蔽材料的選取以及屏蔽罩的應(yīng)用，本文論述的屏蔽方法具有普遍適用性，但是在實際應(yīng)用中，屏蔽罩還要考慮散熱口、進線口等問題，今后可以對屏蔽罩開口等問題繼續(xù)深入研究。

電磁屏蔽技術(shù)在電磁兼容測試中應(yīng)用十分普遍，醫(yī)療器械電磁兼容測試的11個試驗項目都可以用到電磁屏蔽技術(shù)。本文以實際測試中最容易出問題的無線電業(yè)務(wù)的保護（輻射騷擾）和靜電放電（ESD）為例對電磁屏蔽技術(shù)如何應(yīng)用展開討論，輻射騷擾屬于發(fā)射試驗、靜電放電屬于抗擾度試驗，具有典型性和代表性，為醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容整改提供新的思路。

【參考文獻】

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[7]鄭軍奇.EMC電磁兼容設(shè)計與測試案例分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018.

[8]電磁兼容試驗和測量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗：GB/T 17626.2—2018[S].

【作者簡介】

劉鵬，男，1985年出生，高級工程師，研究方向為有源醫(yī)療器械檢驗。

（編輯：侯睿琪）