不同通氣模式下 呼吸機(jī)發(fā)射水平的研究

侯曉旭，李澍，李佳戈，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所 北京 102629

不同通氣模式下 呼吸機(jī)發(fā)射水平的研究

侯曉旭，李澍，李佳戈，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所 北京 102629

目的電磁兼容問題是影響醫(yī)用電氣設(shè)備安全有效的重要因素之一。輻射發(fā)射是電磁兼容比較容易出問題的項(xiàng)目。研究呼吸機(jī)在不同通氣模式下的輻射發(fā)射水平的差異，有助于規(guī)范呼吸機(jī)的電磁兼容檢驗(yàn)方法，提高檢測(cè)效率。方法呼吸機(jī)的不同通氣模式下的控制主要通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)調(diào)制加載在吸氣閥和呼吸閥兩端的電流，從而調(diào)節(jié)閥體開度實(shí)現(xiàn)。本研究一方面從理論方面分析了PWM信號(hào)調(diào)制閥體兩端電流與輻射發(fā)射水平的關(guān)系，另一方面也進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。結(jié)果實(shí)驗(yàn)表明呼吸機(jī)在不同PWM調(diào)制電流下，輻射發(fā)射水平?jīng)]有明顯差異。理論分析也支持這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。結(jié)論呼吸機(jī)在不同通氣模式下，輻射發(fā)射水平基本相同。建議針對(duì)呼吸機(jī)發(fā)射水平的檢驗(yàn)，可以只針對(duì)一種通氣模式進(jìn)行檢驗(yàn)，而無(wú)需對(duì)所有模式都進(jìn)行檢驗(yàn)。

電磁兼容；輻射發(fā)射；呼吸機(jī)；脈沖寬度調(diào)制

引言

電磁兼容問題是影響醫(yī)用電氣設(shè)備安全有效的重要因素之一。隨著電氣產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，醫(yī)用電氣設(shè)備之間以及和非醫(yī)用電氣產(chǎn)品之間的電磁干擾和不兼容問題日益突出[1]。國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局對(duì)醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容問題高度重視，于2015年1月1日強(qiáng)制執(zhí)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY0505-2012《醫(yī)用電氣設(shè)備第1-2部分：安全通用要求并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容要求和試驗(yàn)》。此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行以來(lái)，推動(dòng)了我國(guó)整體醫(yī)療器械水平的提升。由于YY0505-2012強(qiáng)制實(shí)行時(shí)間不長(zhǎng)，實(shí)際測(cè)試的策略和方法有很多地方值得研究，尤其是醫(yī)療設(shè)備在不同模式下發(fā)射水平如何，是否需要對(duì)所有工作模式都進(jìn)行測(cè)量，并無(wú)明確的結(jié)論。其中，呼吸機(jī)在臨床使用時(shí)，除了正確選擇參數(shù)外，還要根據(jù)患者的病情選擇不同的通氣模式[2]。通常有以下幾種通氣模式：壓力控制通氣（PCV）、容積控制通氣（VCV）、有創(chuàng)正壓通氣（IPPV）、壓力支持通氣（PSV）、同步間歇強(qiáng)制通氣（SIMV）、持續(xù)正壓通氣（CPAP）等[3-5]。在不同模式下，不同的PWM調(diào)制電流，可能導(dǎo)致發(fā)射水平的變化。為了提高檢測(cè)的效率和科學(xué)性，對(duì)不同PWM調(diào)制模式下輻射發(fā)射的研究是很有必要的。

1 呼吸機(jī)發(fā)射水平差異的理論分析

水平輻射發(fā)射是指電子電氣設(shè)備在正常工作時(shí)，同時(shí)向周圍空間輻射電磁騷擾。其干擾源主要來(lái)自于微處理器、微控制器、瞬時(shí)功率執(zhí)行元件如繼電器、開關(guān)電源、時(shí)鐘等。電路中的輻射分為共模和差模兩種方式[6]。

共模輻射是因電路中某些非必須的電壓降產(chǎn)生的，這種電壓降使系統(tǒng)的某些部件與大地之間產(chǎn)生一個(gè)共模的電位差。一般來(lái)說(shuō)，共模電壓更多的來(lái)自于系統(tǒng)中的電纜。電纜上流過(guò)的方向相同的電流為共模電流，共模電流產(chǎn)生共模輻射，輻射發(fā)射的頻率由共模電勢(shì)決定。本文中，我們主要討論由于PWM控制差異導(dǎo)致的輻射發(fā)射水平差異，而PWM控制差異不屬于共模信號(hào)，因此下文中不對(duì)共模輻射進(jìn)行詳細(xì)分析。

一對(duì)導(dǎo)線上流過(guò)的大小相等、方向相反的電流稱為差模電流。差模電流產(chǎn)生差模輻射，當(dāng)差模電流流過(guò)電路中的導(dǎo)線環(huán)路時(shí)，將引起差模輻射。一般來(lái)說(shuō)，差模輻射是由電路中傳送電流的導(dǎo)線所形成的環(huán)路產(chǎn)生的，這些環(huán)路相當(dāng)于可產(chǎn)生磁場(chǎng)輻射的小型天線。

下面對(duì)于電流環(huán)的電磁輻射特性進(jìn)行分析，位于xy平面上半徑為b、帶有電流I的磁環(huán)的輻射場(chǎng)為：

其中：E為電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，單位為V/m；f為差模電流的頻率，單位為Hz；A為差模電流的環(huán)路面積，單位為m2；I為差模電流的強(qiáng)度，單位為A；r為觀察點(diǎn)到差模電流環(huán)路的距離，單位m，對(duì)YY0505的醫(yī)療設(shè)備，r可以取3 m和10 m（由式(3)可得出兩個(gè)測(cè)試距離的限值相差約10 dB）。從式(3)可以看到電路中電流的頻率越高，輻射往往越大。

呼吸機(jī)的發(fā)射水平應(yīng)滿足1組A類的要求。其中，1組包括為發(fā)揮其自身功能的需要而預(yù)期產(chǎn)生或使用傳導(dǎo)耦合射頻能量的所有工科醫(yī)設(shè)備；A類設(shè)備是在非家用和不直接連到住宅低壓供電網(wǎng)的所有設(shè)施中使用的設(shè)備[8-10]。

呼吸機(jī)控制原理一般可以分為吸氣控制和呼氣控制：吸氣控制分為氧氣氣路和空氣氣路，兩路都通過(guò)減壓閥、比例閥、流量傳感器來(lái)控制吸氣的壓力和流量，通過(guò)氧氣傳感器監(jiān)視氧濃度。產(chǎn)生不同呼吸模式的根本原因是呼吸機(jī)根據(jù)流量和壓力傳感器的反饋值對(duì)呼氣閥和吸氣閥控制的策略不同[11-13]。目前，大多通過(guò)PWM調(diào)制方式調(diào)制加載在吸氣閥和呼氣閥上的平均電流值，調(diào)整閥體的開度[14-15]，從而達(dá)到控制患者口端流量和壓力的目的。PWM的原理是把恒定的電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可調(diào)的脈沖序列，從而改變平均輸出電壓的大小[16]。閥體的控制圖及PWM調(diào)制信號(hào)，見圖1。

圖1 吸氣閥的控制電路及P WM調(diào)制信號(hào)

三級(jí)管由PWM信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)，在一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，閥體M兩端的電壓即為VDD。當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，三極管截止，加在閥體M上的電壓為0 V。閥體兩端平均電壓為。其中，t為PWM信號(hào)的占空比，T為PWM信號(hào)的周期。一般情況下，PWM信號(hào)的周期T為一定值,只需調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比t，就可以控制閥體M的平均電壓（電流）[16]。呼吸機(jī)控制兩個(gè)閥的PWM控制信號(hào)的周期一般在100 μs量級(jí)，即基頻在10 kHz。

由閥體開啟引起的電流為差模電流。由公式(1)可知，當(dāng)測(cè)試距離r在3 m時(shí)，f取10 kHz，由閥體開啟引起的輻射水平E在如下范圍：

其中差模電流環(huán)路面積A主要取決于電路板的環(huán)路面積和閥體的線圈面積。一般來(lái)講，如果采用4層板的設(shè)計(jì)，電源層與地層的距離很近，環(huán)路面積基本可以忽略。A主要取決于閥體內(nèi)線圈的面積，這里按照10 cm2量級(jí)估算。差模電流強(qiáng)度I可由圖1中的電路圖計(jì)算得到，即流經(jīng)電機(jī)M的電流，其中電機(jī)（閥體M）工作電壓一般為12 V，電機(jī)的等效電阻約20 Ω。流經(jīng)電機(jī)的電流可由PWM信號(hào)控制，當(dāng)PWM信號(hào)處于高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)有電流流過(guò)電機(jī)；當(dāng)PWM信號(hào)處于低電平時(shí)，三極管截止，此時(shí)就沒有電流流過(guò)閥體了。由此可知，發(fā)射水平E應(yīng)滿足：

其中I是可看成是一個(gè)幅度為0.6 A，與PWM信號(hào)周期與占空比相同的連續(xù)方波周期信號(hào)。此周期信號(hào)的頻譜是非周期離散的。時(shí)域持續(xù)越寬的信號(hào)，其頻域的頻譜越窄；時(shí)域持續(xù)越窄的信號(hào)，其頻域的頻譜越寬。對(duì)I做傅里葉展開，可以得到：

其中f為差模電流的頻率，與PWM信號(hào)的角頻率一致，為10 kHz量級(jí)。

2 檢測(cè)方法

本文針對(duì)YY0505-2012《醫(yī)用電氣設(shè)備第1-2部分：安全通用要求并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容要求和試驗(yàn)》中條款36.201.1(無(wú)線電業(yè)務(wù)的保護(hù)的檢測(cè)，呼吸機(jī)的發(fā)射水平應(yīng)滿足1組A類的要求)，對(duì)呼吸機(jī)的電磁兼容展開檢測(cè)。

試驗(yàn)環(huán)境是3 m法半電波暗室。測(cè)試對(duì)象是呼吸機(jī)不同的工作模式。由于PCV和VCV兩種模式是呼吸機(jī)的基本工作模式，先對(duì)3臺(tái)樣品的PCV和VCV兩種工作模式進(jìn)行了檢驗(yàn)；之后對(duì)1臺(tái)樣品在6種工作模式下的發(fā)射水平都進(jìn)行了檢驗(yàn)。

受試設(shè)備通過(guò)和人工電源網(wǎng)絡(luò)相連接入電網(wǎng)，人工電源網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量端口接50 Ω的負(fù)載，當(dāng)測(cè)量天線接收到騷擾信號(hào)后，信號(hào)通過(guò)連接器傳至接收機(jī)中。測(cè)量天線距受試設(shè)備3 m。對(duì)30 MHz～1 GHz頻段進(jìn)行測(cè)量。水平極化方向和垂直極化方向均需測(cè)量，取接收機(jī)收到最大的射頻噪聲電平。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣品1～3在PCV和VCV兩種工作模式下發(fā)射級(jí)別的測(cè)量結(jié)果，見圖2。樣品1和樣品2的輻射峰值基本均勻分布在整個(gè)測(cè)試頻帶。而樣品3在峰值主要集中在60 MHz頻段及300～500 MHz頻段。一般來(lái)講，電源模塊產(chǎn)生的輻射噪聲多在200 MHz以下[17]，而300～800 M的噪聲主要來(lái)源于微控制器的晶振。結(jié)果同樣表明，不同PWM調(diào)制模式下，呼吸機(jī)發(fā)射水平基本一致。

樣品4在PCV、 VCV、IPPV、PSV、SIMV和CPAP 6種工作模式下發(fā)射水平的測(cè)量結(jié)果，見圖3。峰值主要集中在500 MHz頻段附近。該頻段的噪聲往往由于微控制器的晶振所導(dǎo)致。由圖中可以看出，在不同PWM調(diào)制方式下，呼吸機(jī)的發(fā)射水平并無(wú)明顯差異。

4 結(jié)論

PWM控制信號(hào)基頻在0～10 kHz，而YY0505輻射發(fā)射水平的檢測(cè)頻率在30 MHz以上。上述控制信號(hào)控制的閥體電流的發(fā)射，在這一頻率范圍內(nèi)已衰減到很小的量級(jí)，所以呼吸機(jī)的不同PWM控制信號(hào)對(duì)發(fā)射水平影響較小。本文通過(guò)理論分析和實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果，表明呼吸機(jī)不同的PWM調(diào)制，對(duì)其發(fā)射水平不會(huì)有明顯差別。對(duì)于針對(duì)呼吸機(jī)發(fā)射水平的檢驗(yàn)，可以只針對(duì)一種通氣模式進(jìn)行檢驗(yàn)，而無(wú)需對(duì)所有工作模式都進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)于呼吸機(jī)以外的其他設(shè)備，工作模式的影響可以采用同樣的方法進(jìn)行分析和測(cè)試，并逐步尋找規(guī)律性結(jié)論，科學(xué)優(yōu)化和加速檢測(cè)活動(dòng)。

圖2 不同樣品在PCV和VCV兩種工作模式下發(fā)射級(jí)別的測(cè)量結(jié)果

圖3 樣品4在所有工作模式下發(fā)射級(jí)別的測(cè)量結(jié)果

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本文編輯 袁雋玲

Study on the Difference of Radiated Emission Levels of Ventilator Under Different Ventilation Modes

HOU Xiaoxu, LI Shu, LI Jiage, REN Haiping
Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 102629, China

ObjectiveElectromagnetic compatibility (EMC) is one of the most important factors for the safety and availability of medical electrical equipment. Radiated emission is the most troublesome test item. The investigation on the difference of emission level between different ventilation modes may standardize the test on the EMC of ventilators, and enhance the ef ficiency of test.

MethodsThe control of ventilator under different ventilation modes depends on the pulse width modulation (PWM) signal. This paper theoretically analyzed the relationship between PWM signal and emission level. On the other hand, experiments were also performed.ResultsThe experimental results showed that there was no obvious difference between the emission levels under different ventilation modes with different PWM electric current. Theoretical analysis also supported this phenomenon.ConclusionThere is no signi ficant difference on the EMI level under different ventilation modes. It is suggested that the test of the emission level of the respirator can be tested only in one type of aeration mode instead of testing all the modes.

electromagnetic compatibility; radiated emission; ventilator; pulse width modulation

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.09.007

1674-1633(2017)09-0029-04

2017-06-14

2017-06-27

中國(guó)食品藥品檢定研究院中青年基金項(xiàng)目（2016C5）。

任海萍，主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程，醫(yī)療器械檢定。

通訊作者郵箱：renhaiping@nifdc.org.cn