医疗器械中电磁干扰的来源及影响

本文要点

手机、扫描仪、安检设备、射频识别 (RFID) 设备和微波等电子系统都可能成为医疗器件的电磁干扰来源。

暴露在容易产生电磁干扰的环境下也会对植入式医疗器械构成潜在威胁。

经皮神经电刺激疗法 (TENS)、磁共振成像 (MRI)、牙科设备、除颤器和神经刺激等医疗程序都会产生电磁干扰。

 

手机可能会干扰心脏起搏器和植入式神经刺激器等植入式医疗器械

 

现代医疗机构使用各种电子设备为患者提供临床支持。但是，这些医疗器械也可能带来危害，其中最主要是会产生电磁干扰。医疗器械中的电磁干扰可能导致火灾事故或致使设备在危急情况下无法运行。

 

除了医疗器械产生的电磁干扰，医疗设备还可能受到外部电磁信号的影响。使用手机或便携式电子设备等外部设备可能会干扰或损坏神经刺激器植入物、心脏起搏器或植入式心律转复除颤器等医疗电子器械。为避免这种情况发生，国际电工委员会（IEC）、国际无线电干扰特别委员会（CISPR）和电气电子工程师学会（IEEE）等监管机构制定了相关规定，旨在减少医疗器械中的电磁干扰影响。

 

哪些类型的电磁干扰会影响到医疗器械？

 

 

电场和磁场相互作用会形成电磁场。当电子设备附近有一个或多个来源的电磁场或能量干扰了设备的正常运行时，就视为产生了电磁干扰。电子系统的某个部分产生的电磁能量，会干扰同一系统中其他部分或子系统的正常运行，这种现象也被视为电磁干扰。

 

电磁干扰 (Electromagnetic Interference，即 EMI) 可分为：

传导 EMI：耦合到电气或电子设备、电源电缆或相关电路中的电磁能量称为传导辐射。传导辐射可进一步分为共模干扰和差模干扰。

辐射 EMI：电子设备发射电磁信号，干扰附近设备的运行。此类频率范围在 30 MHz 至 1 GHz 之间的辐射称为辐射电磁干扰（辐射 EMI）。

 

医疗电子器械同时受到传导 EMI 和辐射 EMI 的影响。下面让我们将介绍 EMI 的来源。

 

医疗器械中的电磁干扰源有哪些？

 

 

影响医疗器械的电磁干扰有自然和人为两种来源。雷暴、闪电、太阳耀斑或宇宙噪声对医疗器械的影响属于自然电磁干扰事件。无线技术的广泛应用、现代通信服务、新的传输方法、电磁频谱的高密度占用、医疗电子器械越来越先进以及医疗器械在医院环境以外的环境使用更加频繁，这些都是造成电磁干扰的一些人为原因。

 

在分析影响医疗器械的电磁干扰源时，附近设备产生的电磁场是需要考虑的关键因素。这些 EMI 源可能是磁性的、电气的或非电气的。手机、扫描仪、安检设备、射频识别 (RFID) 设备和微波等电子系统都可能对医疗电子器械造成严重影响。

 

就植入式医疗电子器械而言，患者所处环境和使用区域是不可预测的，因此这些器械很容易受到电磁干扰的影响。暴露在容易产生电磁干扰的环境中，如存在电弧焊、无线电塔、电源、电动马达和内燃机马达的环境等，也会对植入式医疗器械构成潜在威胁。

 

某些医疗程序，如经皮电神经刺激 (TENS)、磁共振成像 (MRI)、牙科设备、除颤器和神经刺激，会诱发电磁干扰并导致附近的医疗设备功能失调。

 

电磁干扰对医疗器械的影响

 

 

医疗器械中的电磁干扰可能会导致患者受伤，在最严重的情况下，甚至会导致死亡。环境或系统中的电磁干扰可能会导致有源医疗器械停止运行，对患者造成严重伤害。无线技术的发展与一系列先进医疗器械的出现，使得医疗电子设备更容易受到电磁干扰的影响。

 

日常案例

 

使用手机可能会很危险——在某些情况下，手机会干扰输液泵的运行，导致患者用药过量。事实上，无线设备和无线电发射器的广泛使用会对大多数重症监护医疗器械造成干扰。

 

电磁干扰还曾导致轮椅意外移动、患者监护仪读数错误以及植入式设备暂时失灵。植入式心脏起搏器、人工耳蜗、脑脊液 (CSF) 分流装置、神经刺激器和视觉假体等非固定医疗器械，很容易受到安全金属探测器、机场扫描仪和防盗系统等设备产生的电磁干扰的影响。未知或意外来源的电磁干扰会导致植入式器械记录到不存在的器官异常行为。这种错误会不必要地激活植入式刺激器，并可能给患者带来痛苦。

 

显然，医疗器械中的电磁干扰可能会造成极大的危害。幸运的是，监管机构发布了一些标准，如 IEC 60601-1-2 和 CISPR 11 Class A，旨在规范医疗器械和系统在电磁环境下的安全和性能。这些标准是为了提高医疗器械的电磁合规性而制定的。在这方面，Cadence 软件提供了信号完整性/电源完整性工具，有助于尽可能提高电磁合规性。

 

电磁分析：该使用哪种电磁求解器

 

 

进行 EM 分析的主要原因有两个：一是了解设计中的信号是否符合性能规格，二是了解设计在电路/系统中是否存在意外的EM 耦合。

 

此外，可能还需要在不同的情况下进行 EM 分析。第一种情况是正在进行设计（芯片、封装、电路板、系统），并且希望了解当前设计的电性性能，此时需要实现高性能和集成；第二种情况是在签核过程中，需要确定最终的设计结果是否和预想的一样好，此时相比于性能，则更关心精准度。