數(shù)字化手術(shù)室低壓交直流供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)探討

錢雷鳴，羅林聰，孫永和

(杭州市紅十字會(huì)醫(yī)院設(shè)備科，杭州310000)

數(shù)字化手術(shù)室低壓交直流供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)探討

錢雷鳴，羅林聰，孫永和

(杭州市紅十字會(huì)醫(yī)院設(shè)備科，杭州310000)

本文分析當(dāng)前手術(shù)室供電網(wǎng)絡(luò)存在的問題，提出了手術(shù)室中低壓交直流電源配置的要求，根據(jù)要求設(shè)計(jì)數(shù)字化的低壓交直流供電網(wǎng)絡(luò)專供手術(shù)室中可直接接低壓供電的設(shè)備，可以作為主供電源或輔助電源，對(duì)所提出的供電網(wǎng)絡(luò)的原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)分析，并對(duì)日后的進(jìn)一步研究作了探討。

數(shù)字化手術(shù)室;醫(yī)用低壓交直流電源;UPS醫(yī)用電源;交直流整流

隨著數(shù)字化醫(yī)院建設(shè)的推進(jìn)，更多的信息設(shè)備進(jìn)入到手術(shù)室，手術(shù)室的用電設(shè)備越來越復(fù)雜，對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求更高，需要更高的電源安全防護(hù)。手術(shù)室設(shè)備復(fù)雜多樣，而其中有很多設(shè)備是直接或間接低壓供電，這就有必要對(duì)數(shù)字凈化手術(shù)室設(shè)計(jì)一套低壓供電網(wǎng)絡(luò)，精細(xì)簡(jiǎn)化完善手術(shù)室供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提高醫(yī)療設(shè)備電氣安全。

目前，一間數(shù)字凈化手術(shù)室所包含設(shè)備有: (1)基礎(chǔ)類設(shè)備:基礎(chǔ)照明，凈化通風(fēng)系統(tǒng)，醫(yī)用吊塔、手術(shù)無影燈、電動(dòng)手術(shù)床等;(2)手術(shù)麻醉設(shè)備:麻醉呼吸機(jī)，監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，各種電刀，內(nèi)窺鏡手術(shù)系統(tǒng)，顯微手術(shù)系統(tǒng)，圖形工作站以及輔助手術(shù)設(shè)備等;(3)數(shù)字信息設(shè)備:醫(yī)療信息系統(tǒng)(PACS，HIS，LIS，RIS，AMIS手術(shù)麻醉系統(tǒng))，影像示教系統(tǒng)。

1 當(dāng)前手術(shù)室供電網(wǎng)絡(luò)存在的問題

根據(jù)手術(shù)室電源防護(hù)和醫(yī)療設(shè)備的電氣安全要求，手術(shù)室的供電采用IT隔離變壓器電源系統(tǒng)。最新的JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第12．8．6條規(guī)定:2類場(chǎng)所用途相同且相毗鄰的幾個(gè)房間內(nèi)至少配備一套醫(yī)用IT電源供電(隔離供電電源)。數(shù)字化凈化手術(shù)室內(nèi)設(shè)備復(fù)雜多樣，外部供電電源是AC220V，而其中有許多設(shè)備是間接低壓供電或外接電源適配器變壓后供電，如吊塔、無影燈、手術(shù)床、呼吸機(jī)、麻醉機(jī)、信息數(shù)字設(shè)備的采集設(shè)備或模塊、顯示器等。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，手術(shù)室相關(guān)醫(yī)療設(shè)備小型化，裝置模塊化對(duì)電源部分將會(huì)有更高的要求。手術(shù)室內(nèi)醫(yī)療設(shè)備根據(jù)電氣安全的要求，應(yīng)采用低壓工作模式，工作電壓一般為12V或24V。如手術(shù)無影燈和吊塔等采用外置的低壓電源，手術(shù)室基礎(chǔ)建設(shè)安裝過程中一般將其開關(guān)電源或隔離變壓器就近安裝于設(shè)備附近，待基礎(chǔ)建設(shè)完成之后一般被封閉于吊頂上面，這為日后故障檢修帶來很大的麻煩。采用低壓直接供電就有效地避免了電源故障的檢修，降低設(shè)備的故障率，提高手術(shù)室的醫(yī)療設(shè)備電氣安全。本文提出一種數(shù)字化手術(shù)室低壓交直流供電網(wǎng)絡(luò)，解決改進(jìn)當(dāng)前手術(shù)室及臨床手術(shù)出現(xiàn)設(shè)備供電網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)療設(shè)備電氣安全的問題。

2 低壓直流變換電路

當(dāng)前，典型的交直流變換電路有推挽、半橋、全橋等。由表1可知，全橋變換電路的原邊有四個(gè)開關(guān)管，其主電路及相關(guān)控制電路的復(fù)雜程度高，適合在中大功率場(chǎng)合應(yīng)用。半橋變換及推挽變換的原邊都是兩個(gè)開關(guān)管，副邊輸出濾波器的工作頻率是開關(guān)頻率的兩倍，將輸入電壓按照一定比例變壓，無論在空載還是滿載狀態(tài)下輸出電壓都基本不變，一般最大輸出功率1000W左右;而推挽變換的開關(guān)管的電壓應(yīng)力是半橋變換的兩倍，同時(shí)變壓器存在直流偏磁，所以采用開環(huán)控制、滿占空比輸出的半橋變換器作為交直流整流變換器。電路的后級(jí)采用Buck變換，如圖1所示，采用同步整流方式獲得較高的變換效率，各路獨(dú)立閉環(huán)控制可以保證每路輸出的穩(wěn)壓精度高，穩(wěn)定性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。

表1 變換電路比較

圖1 電源變換模塊原理圖

3 低壓交直流供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

結(jié)合目前手術(shù)室的醫(yī)用的IT隔離電源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，基于常用手術(shù)室儀器設(shè)備的分析研究，對(duì)配置電源網(wǎng)絡(luò)性能給出了如下的要求:(1)電源接近為恒壓源，凈化電壓波動(dòng)變化小;(2)電源的搭載負(fù)載能力強(qiáng)，滿足臨床手術(shù)使用設(shè)備的要求;(3)配DC12V/DC24V/AC24V可選接口，滿足各種電源需求;(4)匹配的UPS裝置，提供不間斷的電源需求;(5)等電位聯(lián)接，接地可靠性好。

低壓交直流供電網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(原理如圖2所示)主要由交直流變換系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)及電路智能檢測(cè)系統(tǒng)組成，輸入電壓經(jīng)過交直流變換系統(tǒng)得到低壓直流，再將該低壓直流進(jìn)行降壓或者逆變換得到所需的電壓。交直流變換系統(tǒng)有兩路AC220V的輸入，通過斷電傳感器自動(dòng)切換輸入線路，經(jīng)過電源變換模塊得到DC24V。系統(tǒng)中的UPS控制模塊有確定電源變換模塊的工作狀態(tài)及檢測(cè)UPS系統(tǒng)性能的功能，該子系統(tǒng)主要的功能是提供穩(wěn)定的DC24V輸出;UPS能提供該電網(wǎng)的斷電支持，并具備實(shí)時(shí)顯示UPS電量及定期自動(dòng)充放電的功能，圖3給出了UPS系統(tǒng)及控制模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。低壓配電系統(tǒng)主要功能是變換產(chǎn)生所需的DC12V/DC24V/AC24V，漏電控制模塊主要是防止電源接口存在漏電流對(duì)病人造成醫(yī)療事故。以上所有子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作都有電路智能監(jiān)視系統(tǒng)的支持。

4 討論

該系統(tǒng)主要應(yīng)對(duì)手術(shù)室設(shè)備儀器電源故障和醫(yī)療設(shè)備的電氣安全而設(shè)計(jì)的，也可應(yīng)用到ICU、急診等，由于設(shè)備的配置不同線路也做相應(yīng)的改變滿足臨床需求。根據(jù)現(xiàn)代數(shù)字化醫(yī)院(E-Hospital)的標(biāo)準(zhǔn)將電路智能檢測(cè)模塊引入系統(tǒng)中，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)端口的狀態(tài)，并第一時(shí)間檢測(cè)接入設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的意外狀況，控制電路及總線集成技術(shù)是本系統(tǒng)的核心部分之一，所以要引入PLC、DSP、ARM或單片機(jī)等技術(shù)來進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的分析處理，要考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、實(shí)用性、穩(wěn)定性、有效性;恒壓源是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，由于手術(shù)室設(shè)備種類繁多，功率大小差別大，如何設(shè)計(jì)一個(gè)有效的恒壓電路輸出符合各型功率的設(shè)備是日后要做的工作之一;醫(yī)用電源有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)DC12V/DC24V/AC24V三個(gè)輸出端口，其負(fù)極或零線如何做到聯(lián)接等電位并在使用過程中是否接地有待進(jìn)一步探討。

圖2 低壓交直流供電網(wǎng)絡(luò)

圖3 UPS系統(tǒng)及控制模塊

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