復雜電磁環(huán)境下衛(wèi)生裝備電磁兼容性研究

張亞冬，賈建革，趙 鵬，段新安，李巖峰，趙正男，王慶國，賈 瑞

復雜電磁環(huán)境下衛(wèi)生裝備電磁兼容性研究

張亞冬，賈建革，趙 鵬，段新安，李巖峰，趙正男，王慶國，賈 瑞

目的：研究分析軍隊衛(wèi)生裝備在戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境下的電磁兼容能力。方法：首先分析信息化戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境的構成，然后以國家軍用標準GJB 151A—1997和GJB 152A—1997中的陸軍裝備通用要求為參考標準和方法，選擇軍隊醫(yī)療機構常規(guī)配備的幾類急救和診斷衛(wèi)生裝備進行電場輻射發(fā)射、電磁輻射敏感度、電源線傳導發(fā)射和電纜束注入傳導敏感度4項電磁兼容試驗。結果：大部分受試設備均在30MHz～1 GHz之間的電場輻射發(fā)射和電磁輻射敏感度試驗中出現(xiàn)了較為嚴重的問題，而傳導發(fā)射和傳導敏感度試驗結果基本符合國軍標要求。結論：國內(nèi)軍隊現(xiàn)階段配備的衛(wèi)生裝備在戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境下功能正常性均受到不同程度的影響，應重視衛(wèi)生裝備在復雜電磁環(huán)境下的分析研究。

電磁兼容性；電磁干擾；衛(wèi)生裝備；復雜電磁環(huán)境

0 引言

當今時代，電子信息技術的迅猛發(fā)展及其在軍事領域的廣泛應用，開辟了與以往陸、海、空、天并列的第五維空間——電磁空間。在五維一體化的戰(zhàn)場上，敵對雙方的電子對抗武器和大功率雷達通信設備所共同產(chǎn)生的多類型、高能量、寬頻譜、高密度的復雜電磁環(huán)境對處于其中的電子設備具有很大的破壞力[1]。與此同時，高集成電子電路在醫(yī)療領域的廣泛應用使得現(xiàn)代醫(yī)療設備的高靈敏度、小型化和智能化得以實現(xiàn)，但也不可避免地帶來了醫(yī)療設備抗電磁干擾能力的下降。特別是對于檢測人體生物電生理信號的醫(yī)療設備，電磁干擾不僅可以影響其檢測結果的準確性，嚴重時甚至會由此產(chǎn)生強電擊，從而危及患者的生命。據(jù)美國食品藥品監(jiān)督管理局（food and drug administration，F(xiàn)DA）統(tǒng)計，在1973—1993年間，收到疑為醫(yī)療設備因電磁干擾而引發(fā)的事故超過100例，其中，被FDA認定的事故有電臺FM發(fā)射的電磁波干擾監(jiān)護儀最終導致患者因沒能及時檢測出心律不齊而死亡、移動電話使心臟起搏器運行異常等。在1995—2000年間，日本在搶救患者時，因有人使用移動電話發(fā)射電磁輻射而使輸液泵突然發(fā)生誤動作或直接停止工作的事故就有3起[2-3]。

復雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境可以直接影響武器裝備戰(zhàn)斗效能的發(fā)揮和戰(zhàn)場生存能力，但是衛(wèi)生裝備在復雜的電磁環(huán)境下能否正常運行且發(fā)揮其預期的診斷和治療作用，目前尚無確切定論。國外有不少針對手機、射頻磁卡等對醫(yī)療設備電磁干擾的研究，但是像在戰(zhàn)場這種復雜電磁環(huán)境下衛(wèi)生裝備的電磁兼容性研究鮮有報道[4-5]。國內(nèi)主要是在理論分析上，少數(shù)的試驗研究也僅僅是做了單個設備的單項試驗[6-8]。因此，開展衛(wèi)生裝備在戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境下的電磁兼容性研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 戰(zhàn)時衛(wèi)生裝備電磁兼容性問題

1.1 電磁兼容性的定義

國內(nèi)外許多國標、軍標以及民標中關于電磁兼容性的定義都包含以下內(nèi)容：電磁兼容性（electromagnetic compatibility，EMC）是設備或系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能夠一起正常發(fā)揮各自功能的共存能力，即設備既不會因為所處電磁環(huán)境中其他設備發(fā)射的電磁輻射而使其功能降級，也不會因為自己發(fā)射的電磁輻射而降低其他設備的功能。電磁兼容性包括電路模塊、設備以及系統(tǒng)3個級別間的相互兼容，分為電磁干擾和電磁敏感度2個方面。電磁干擾（elec tromagnetic interference，EMI）是指由其他電子設備發(fā)射的電磁輻射通過某種傳播途徑到達敏感設備并引起該設備性能的降低。電磁敏感度（electromagnetic susceptibility，EMS）是指電子設備對其所在環(huán)境中的電磁干擾具有的抗干擾能力[9-10]。

國家軍用標準《軍隊衛(wèi)生裝備基本術語》中對衛(wèi)生裝備電磁兼容的定義為：衛(wèi)生裝備在共同的電磁環(huán)境中能一起完成各自功能的共存狀態(tài)。也就是裝備在所處的電磁環(huán)境中能夠正常執(zhí)行規(guī)定的功能，同時又不影響其他裝備正常執(zhí)行其功能[11]。

1.2 戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境的構成分析

未來陸、海、空、天、電五維一體的戰(zhàn)場中，作戰(zhàn)雙方將大量使用電子武器裝備，不僅數(shù)量龐大、體制復雜、種類多樣，而且功率大、頻譜寬。在激烈的電子對抗條件下產(chǎn)生的多類型、寬頻譜、高密度且輻射總量越來越多的電磁輻射信號形成了一個新的且極其重要的戰(zhàn)爭要素——復雜電磁環(huán)境。一般認為戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境主要由背景電磁輻射、軍用電磁輻射和輻射傳播因素3個部分組成（如圖1所示）。

圖1 戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境構成因素

其中，背景電磁輻射是指不論戰(zhàn)時還是平時都具有的電磁輻射，主要包括自然環(huán)境和民用通信等帶來的電磁輻射。軍用電磁輻射是戰(zhàn)場特有的電磁輻射，主要指作戰(zhàn)雙方為了爭奪電磁權而有意或無意發(fā)射的電磁輻射，這是戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境的最主要構成。輻射傳播因素主要是通過影響各種傳播媒介的性質(zhì)來對電磁波發(fā)生作用，從而改變電磁環(huán)境的形態(tài)特征[12-13]。

1.3 復雜電磁環(huán)境對衛(wèi)生裝備的影響

復雜電磁環(huán)境會對衛(wèi)生裝備造成干擾，使其檢測結果偏差、運行失控、陷入癱瘓死機，甚至對直接接觸裝備的患者或醫(yī)護人員造成強烈的電擊傷害。例如：交變的電磁場可能通過電極線產(chǎn)生感應電流，淹沒人體生物電信號，從而影響心電、腦電等檢測結果；強大的電磁脈沖信號能通過孔縫進入到設備內(nèi)部，擊穿內(nèi)部的電路元器件，從而對衛(wèi)生裝備造成不可恢復的損毀；較強的磁場干擾可能使顯像管圖像變形失真、X線球管和加速器射線發(fā)生偏移等。這些電磁干擾都可能影響衛(wèi)生裝備在戰(zhàn)場上發(fā)揮其應有的功能，使傷病員失去及時有效的救治機會[14]。

2 衛(wèi)生裝備電磁兼容性試驗方法

2.1 試驗環(huán)境及設備

本次電磁兼容性試驗選取的場地為軍械工程學院靜電與電磁防護研究所全軍武器裝備重點實驗室，該實驗室具備GJB 151A—1997所要求的完善的試驗設施。試驗中用到的關鍵設備有半電波暗室、吉赫茲橫電磁波（Gigahertz transverse electromagnetic，GTEM）室、屏蔽室、頻譜儀、發(fā)射天線、接收天線、信號發(fā)生器、功率放大器、電流注入探頭、輔助計算機、線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡（line impedancestabilizingnetwork，LISN）等。

2.2 參照標準

本試驗主要以電磁兼容國家軍用標準GJB 151A—1997《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》和GJB 152A—1997《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量》為參考，選取了陸軍裝備所要求的4項通用測試，即電場輻射發(fā)射、電磁輻射敏感度、電源線傳導發(fā)射、電纜束注入傳導敏感度。

2.3 受試設備

根據(jù)我軍醫(yī)療機構常規(guī)配置的衛(wèi)生裝備情況，選取了幾類較為常見的衛(wèi)生裝備，包括心電圖機、多參數(shù)監(jiān)護儀、除顫儀、B超機、麻醉機、呼吸機、高頻電刀、超短波治療儀、40mA X線機等。

2.4 試驗步驟

（1）根據(jù)GJB 152A—1997中相關項目規(guī)定的方法，在半電波暗室、GTEM室或電磁屏蔽室內(nèi)配置相應的試驗設備，并進行校準試驗。（2）將受試設備放置在試驗臺上，并通電預熱，使其達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。部分設備如心電圖機、多參數(shù)監(jiān)護儀等的信號采集端口需連接到生理參數(shù)模擬發(fā)生器上，并將模擬發(fā)生器放置于屏蔽盒內(nèi)。（3）按照要求設置相應的電場強度、掃描時間、掃描頻率等參數(shù)。（4）從規(guī)定頻率范圍的最低點到最高點開始掃頻，注意要根據(jù)不同的頻率范圍選擇相對應的天線。（5）更換受試設備，重復上述試驗步驟。

3 試驗結果

3.1 電場輻射發(fā)射試驗

試驗過程中不同頻段使用不同的接收天線，即2～30MHz使用有源拉桿天線，30MHz～1GHz使用對數(shù)周期天線，1～18GHz使用喇叭天線。對30MHz以上的頻率，天線應取水平極化和垂直極化2個方向。根據(jù)使用天線的不同，將試驗結果分為2～30MHz、30MHz～1GHz、1～18GHz3段顯示。電場輻射發(fā)射試驗結果見表1。

表1 電場輻射發(fā)射試驗結果

其中，2～30MHz頻段間有高頻電刀和超短波治療儀2臺設備輻射超標，30MHz～1GHz頻段間只有1臺多參數(shù)監(jiān)護儀合格，1GHz以上頻段有1臺便攜式B超機輻射超標?？梢?，電場輻射發(fā)射試驗的20臺設備中只有1臺多參數(shù)監(jiān)護儀在整個頻段內(nèi)都符合要求，其余輻射發(fā)射超標主要集中在30 MHz～1 GHz頻段之間。

圖2是其中一臺衛(wèi)生裝備的具體測試結果，直線是GJB 151A—1997規(guī)定的極限值，曲線是受試設備輻射發(fā)射的測試值。

3.2 電場輻射敏感度試驗

在幅度為50V/m、頻率為30MHz～2.5GHz的電場輻射敏感度試驗中，15臺受試設備只有2臺B超機不受該強度的電磁干擾，合格率為13%。其他設備受電磁干擾出現(xiàn)異常的頻率都是在1GHz以下，且當干擾信號停止后，所有設備都能自動或經(jīng)過手動調(diào)控恢復到正常運行狀態(tài)。也就是說，50 V/m強度的電磁干擾只是影響了衛(wèi)生裝備的正常運行，并沒有對衛(wèi)生裝備的內(nèi)部硬件造成擊穿、燒毀等不可恢復的損壞。

圖3是某型號B超機正常運行和受不同程度電磁干擾的運行情況，隨著頻率和場強幅度的變化，受干擾的嚴重程度有所不同。圖3（a）顯示了在沒有電磁干擾時B超機可以很清楚地分辨體模內(nèi)不同深度的影像。圖3（b）顯示了在受到頻率為32MHz、幅度為2.8 V/m的電磁干擾后，屏幕出現(xiàn)了很明顯的條紋，從而影響了診斷，且越深部位影響越嚴重。圖3（c）顯示了在頻率為56MHz、幅度為15 V/m的電磁干擾下，出現(xiàn)了更為嚴重的異常現(xiàn)象，即整個屏幕出現(xiàn)失真。

圖4顯示了某型號心電圖機在正常運行時受到頻率為80MHz、幅度為50 V/m的電磁干擾時出現(xiàn)了嚴重異常，但是當電磁干擾信號停止后又自動恢復到了正常狀態(tài)。

3.3 電源線傳導發(fā)射試驗

根據(jù)國軍標要求，接受試驗的4臺不同類型的衛(wèi)生裝備電源線傳導發(fā)射測試值都在規(guī)定的極限值以下。圖5為其中一臺衛(wèi)生裝備的具體測試結果，直線是GJB 151A—1997規(guī)定的極限值，曲線是受試設備電源線傳導發(fā)射的測試值。

圖2 電場輻射發(fā)射試驗結果

圖3 電場輻射敏感度試驗結果

圖4 受80MHz、50 V/m電磁干擾影響前后

3.4 電纜束注入傳導敏感度試驗

在對受試設備的電源線注入傳導敏感度試驗中，所有受試設備都能正常運行。但是對設備的信號線，如心電圖機的某一根電極線注入干擾信號時，心電圖機會出現(xiàn)明顯的異常情況，且干擾主要出現(xiàn)在1MHz以下的頻段。當干擾信號頻率超過1MHz時，干擾現(xiàn)象逐漸消失。由此可見，衛(wèi)生裝備的電源線對注入干擾的抗干擾能力很強，而信號傳輸線對低頻段的注入干擾較為敏感。圖6是某型號心電圖機的電極信號線在受到注入干擾時出現(xiàn)的異常情況。

圖5 電源線傳導發(fā)射曲線圖

圖6 電極線受注入傳導干擾時的異常情況

4 結語

在以GJB 151A—1997和GJB 152A—1997為標準的電磁兼容性試驗中，電源線傳導發(fā)射都滿足要求，說明該類衛(wèi)生裝備正常運行時不會通過電源網(wǎng)絡對周圍的其他電氣設備造成電磁干擾。在電纜束注入傳導敏感度試驗中，所有設備對電源線注入干擾電流都不受影響，但是對信號電纜注入干擾電流則能引起很大的干擾，說明該類衛(wèi)生裝備的電源線對傳導耦合的抗干擾能力較強，而信號線對傳導耦合的干擾則很敏感，所以，應注意保護信號電纜不受傳導耦合干擾的影響。在電場輻射發(fā)射試驗中，幾乎所有受試設備在30MHz～1GHz之間的電場輻射發(fā)射都超過了規(guī)定的極限值，而其他頻段的電場輻射發(fā)射基本都滿足要求。所以，要特別注意限制在30MHz～1GHz之間的電場輻射發(fā)射。在電場輻射發(fā)射敏感度試驗中，主要問題都出現(xiàn)在干擾信號頻率小于1GHz時，因此，在進行電磁兼容改進或者電磁屏蔽防護處理時，要高度重視該頻段的防護處理。

由此可見，以民用電磁兼容標準為要求的衛(wèi)生裝備在未來日益復雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境下，并不一定能夠正常運行且發(fā)揮其應有的功能。因此，我們必須要高度重視各類衛(wèi)生裝備在復雜電磁環(huán)境下的電磁兼容性分析研究，確保戰(zhàn)時衛(wèi)生裝備能夠準確有效地運行。

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（收稿：2013-10-18 修回：2013-11-28）

Study on electromagnetic compatibility of medical equipment under com plicated electromagnetic environment

ZHANG Ya-dong1,2,JIA Jian-ge2,ZHAO Peng2,DUAN Xin-an2,
LIYan-feng2,ZHAO Zheng-nan2,WANG Qing-guo3,JIA Rui3
(1.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China;2.Institute for Drug and Instrument Control,Departmentof Health of General Logistics of the PLA,Beijing 100071,China;3.Institute of
Electrostatic and Electromagnetic Protection,Mechanical Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Objective To study and analyze the electromagnetic compatibility of military medical equipment under the complicated electromagnetic environment in the battlefield.Methods The constitution of the complicated electromagnetic environment in informatized battlefield was analyzed.Then,a series of electromagnetic compatibility experiments on firstaid or diagnostic medical equipment were taken according to the items on army general equipment in GJB 151A—1997 and GJB 152A—1997.The experiments involved radiated emissions,radiated susceptibility,conducted emissions on power leads and conducted susceptibility of bulk cable injection.Results In the frequency range between 30 MHz and 1 GHz,most of the equipment exceeded standards under the radiated emissions tests and could not run regularly under the radiated susceptibility tests.But almost all the equipmentmet the military requirements in the conducted emissions and conducted susceptibility tests.Conclusion Almost all existing Chinese military medical equipment may not run regularly in the battlefield because of electromagnetic disturbance,and thus the study on electromagnetic compatibility of medical equipment under the complicated electromagnetic environment has to be emphasized.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（7）：13-17]

electromagnetic compatibility;electromagnetic interference;medical equipment;complicated electromagnetic environment

R318.6；O441.4

A

1003-8868（2014）07-0013-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.07.013

全軍醫(yī)學科研科技攻關項目（08G162）

張亞冬（1985—），男，碩士研究生，研究方向為衛(wèi)生裝備質(zhì)量控制檢測裝置及電磁兼容性，E-mail：zhydbb@163.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院（張亞冬）；100071北京，總后勤部衛(wèi)生部藥品儀器檢驗所（張亞冬，賈建革，趙 鵬，段新安，李巖峰，趙正男）；050003石家莊，軍械工程學院靜電與電磁防護研究所（王慶國，賈 瑞）

賈建革，E-mail：jjg1966@sina.cn