电动手术床的电磁兼容性与研究与设计

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3.0 侯斌 2024-11-19 7 4 1.3MB 78 页 15积分
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摘要
随着科学技术的不断发展和广泛应用，各种电子电气设备向着多样化、高集
成度、高处理速度方向发展，导致空间电磁环境日益复杂，严重影响电子设备的
正常工作。同时，无线通信技术的大量应用也加重了环境中的电磁干扰现象。特
别是手术室空间小、医疗设备相对比较集中、干扰源较多，则电磁干扰现象更为
严重，影响手术室设备的正常工作，危及病人的健康。
由于目前电磁环境日益恶化，国内外标准组织越来越重视电子电气设备的电
磁兼容性。国际电工委员会（IEC）下属的三个技术委员会及其他的国际组织，主
要进行电磁兼容方面的研究和国际标准的制定，出版和发布了大量的电磁兼容方
面的标准；并且，我国相关的电磁兼容标准组织也完成了各种电磁兼容国际标准
的转化工作，和制定了相关产品类或特定产品的电磁兼容标准。近几年来，医疗
器械行业的电磁兼容方面的探索和研究已取得了极大的成就，重新制订的大量相
关电磁兼容标准和法规也逐步满足新时期的需求。
电动手术床是手术室中常见的一种医疗设备，较容易受到其他手术室设备（比
如高频电刀等）的干扰而造成手术床体位调整错误或失灵。因此，本文针对电动
手术床，对其控制系统进行电磁兼容性设计，提高电动手术床的电磁兼容性，满
足其应用的需要。本文首先分析手术床控制系统的结构和功能，并采用故障树分
析法对手术床控制系统进行电磁兼容性风险评估，找出导致控制系统电磁兼容性
不良的所有原因；然后采用相关的电磁兼容技术对手术床控制系统重新进行硬件
设计，主要包括 CAN 总线技术、隔离技术、睡眠抗干扰技术等；再进行手术床控
制系统的软件抗干扰设计，保证软件程序的正确执行；最后对设计的电动手术床
进行电磁兼容性试验以检测其电磁兼容性能，主要包括静电放电抗扰度试验、电
快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌（冲击）抗扰度试验等。
经过多项电磁兼容试验，本文设计的电动手术床符合国内的电磁兼容标准水
平，具有较好的电磁兼容性，能够满足实际的应用需要。本文对今后其他相关医
疗器械的电磁兼容性的研究起到了一定的借鉴作用。
关键词：电磁干扰 电磁兼容性 电动手术床 风险评估 CAN 总线
ABSTRACT
Along with the development and wide application of science and technology, a
variety of electrical and electronic equipments tend to be diversified，high integration
and high processing speed，these make the electromagnetic environment increasingly
complicated, the electronic equipments or systems that suffers from the electromagnetic
interference maybe deviate their normal work.And also,the application of wireless
communication technology aggravats the electromagnetic interference. Especially，the
electromagnetic interference in the operating room is much more serious, where the
space is rather little and the medical equipment is relatively concentrated, it may easily
endanger patients’ health.
Due to the electromagnetic environment increasingly deteriorated, domestic and
international standard organizations pay more attention to the electromagnetic
compatibility of electrical and electronic equipments.Three technical committees which
International Electrotechnical Commission ( IEC ) subordinates, and other international
organizations, have mainly engaged in the EMC research and the formulation of
international standards, published and released a lot of EMC standards;In
China,relevant EMC standard organizations complete the conversion work of
international EMC standards, and formulate related EMC standards of products or
products specific. In recent years, the exploration and research of EMC in medical
device industry has made great achievements, and a number of associated EMC
standards and regulations have been formulated to meet the demands of the new era.
The motorized operating bed is an common medical equipment, more vulnerable to
other operating room equipments (such as HF electrosurgical unit, etc), resulted to its
postural adjustment error or failure caused by electromagnetic interference.Thus, as for
the motorized operating bed, the EMC designs of the control system have been carried
out to meet its application. In this paper,we first analyze the structure and function of
the control system of motorized operating bed,and conduct its EMC risk analysis based
fault tree analysis method to find out the reasons why the EMC performance of the
control system is bad;Then, the relevant EMC techniques have been applied to the
hardware design of the control system, including CAN bus technique, isolation
technique, sleep anti-interference technique, etc; Next is anti-jamming software design
of the control system to guarantee the correct execution of the software program; The
last is the EMC experiments to detect the electromagnetic compatibility of the
motorized operating bed, including electrostatic discharge immunity test, electrical fast
transient burst immunity test, surge immunity test and so on.
After many EMC tests, the motorized operating bed that has been designed in this
paper matches the local EMC standards and even to the demand. This paper draws a
lesson to the related medical equipments in EMC research in the future.
KeyWords: electromagnetic interference, electromagnetic
compatibility, motorized operating bed, risk assessment, controller
area network (CAN) bus
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题的来源及意义 ..............................................................................................1
§1.2 国内外研究状况 ..................................................................................................3
§1.3 本课题研究的主要内容 ......................................................................................5
第二章 电磁兼容性标准组织及其标准体系 .................................................................6
§2.1 电磁兼容性标准组织概述 ..................................................................................6
§2.1.1 电磁兼容国际标准组织 ...............................................................................6
§2.1.2 我国的电磁兼容标准组织 ...........................................................................8
§2.2 电磁兼容标准体系 ..............................................................................................9
§2.2.1 电磁兼容国际标准体系结构 .......................................................................9
§2.2.2 国内的电磁兼容标准 .................................................................................10
§2.3 医用电气设备电磁兼容性标准现状 ................................................................11
第三章 电动手术床控制系统的电磁兼容性风险评估 ...............................................14
§3.1 电磁兼容性风险评估的必要性 ........................................................................14
§3.2 风险评估方法的介绍 ........................................................................................15
§3.3 控制系统的电磁兼容性风险评估 ....................................................................17
§3.3.1 DT12-D 电动手术床简介 ........................................................................... 17
§3.3.2 DT12-D 控制系统电磁兼容性不良的表现 ............................................... 18
§3.3.3 基于故障树的控制系统的电磁兼容性风险评估 ......................................20
第四章 电动手术床控制系统的电磁兼容性硬件设计 ...............................................27
§4.1 控制系统的 EMC 总体设计方案 .....................................................................27
§4.1.1 控制系统的总体设计目标和要求 .............................................................27
§4.1.2 CAN 总线 .................................................................................................... 27
§4.1.3 控制系统的总体架构 .................................................................................25
§4.1.4 CAN 控制芯片的确定 ................................................................................ 28
§4.2 手持控制模块的 EMC 硬件设计 .....................................................................29
§4.2.1 主要器件的选择和介绍 ..............................................................................29
§4.2.2 手持控制模块的硬件构成 ..........................................................................31
§4.2.3 PIC18F2580 外围接口电路设计 ................................................................ 32
§4.2.4 按键电路设计 ..............................................................................................34
§4.2.5 CAN 通信接口电路的 EMC 设计 ............................................................. 35
§4.2.6 睡眠抗干扰电路的设计 .............................................................................37
§4.3 主控制模块的 EMC 硬件设计 .........................................................................37
§4.3.1 主控制模块的硬件构成 .............................................................................38
§4.3.2 主控制模块的电源电路 .............................................................................38
§4.3.3 主控制模块的信号隔离电路 .....................................................................39
第五章 电动手术床控制系统的软件可靠性设计 .......................................................41
§5.1 手持控制模块的软件设计 ................................................................................41
§5.1.1 手持控制模块的程序设计架构 .................................................................41
§5.1.2 基于有限状态机的键盘处理程序设计 .....................................................43
§5.1.3 CAN 控制模块的初始化及 CAN 数据发送的可靠性设计 ......................46
§5.1.4 睡眠抗干扰软件设计 .................................................................................48
§5.2 主控制模块的软件设计 ....................................................................................49
§5.2.1 主控制模块的程序设计架构 .....................................................................49
§5.2.2 CAN 数据接收子程序设计 ........................................................................ 48
第六章 电动手术床控制系统的电磁兼容性试验 .......................................................54
§6.1 电动手术床控制系统的电磁兼容性试验概述 ................................................54
§6.2 电动手术床的静电放电抗扰度试验 ................................................................54
§6.2.1 试验说明及要求 .........................................................................................54
§6.2.2 试验配置及实施 .........................................................................................55
§6.2.3 试验结果及分析 .........................................................................................58
§6.3 电动手术床的电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 ................................................58
§6.3.1 试验说明及要求 .........................................................................................58
§6.3.2 试验配置及实施 .........................................................................................59
§6.3.3 试验结果及分析 .........................................................................................58
§6.4 电动手术床的电压暂降、短时中断抗扰度试验 ............................................59
§6.4.1 试验说明及要求 .........................................................................................59
§6.4.2 试验配置及实施 .........................................................................................62
§6.4.3 试验结果及分析 .........................................................................................63
§6.5 电动手术床的浪涌抗扰度试验 ........................................................................63
§6.5.1 试验要求 ......................................................................................................63
§6.5.2 试验配置及实施 .........................................................................................63
§6.5.3 试验结果及分析 .........................................................................................65
§6.6 电磁骚扰发射及抗扰度试验 ............................................................................65
§6.6.1 电磁骚扰发射试验 .....................................................................................65
§6.6.2 射频电磁场辐射抗扰度试验 .....................................................................66
§6.6.3 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验 .........................................................68
§6.7 控制系统 EMC 设计前后的试验结果对比 ......................................................68
第七章 结论和展望 .....................................................................................................69
参考文献 .........................................................................................................................70
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................73
致谢 .................................................................................................................................74
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题的来源及意义
自从麦克斯韦提出电磁场理论、赫兹发现电磁波以来，电磁能得到广泛的应
用，广播、电视、雷达、通信、遥控及计算机等领域迅速发展，给人类创造了巨
大的财富，方便了人们的生活和生产。近几十年来，随着电子技术、通信技术和
计算机技术的迅速发展，信息传输设备、无线通信设备、各种家用电子设备和医
疗电子设备已成为人们生活中不可或缺的一部分，从而使整个生活领域处在以人
为电磁干扰为主的电磁环境中。同时，电磁环境（Electromagnetic Environment，
EME）的日趋复杂化和严重化直接或间接影响电子设备的性能，危害人们的身体
健康，这已成为一个值得关注的问题。
电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）也随着电磁能的利用应运而
生。空间的电磁场主要以辐射和传导为途径、以电场（磁场）和电流（电压）的
形式侵入到各种敏感的设备中，一般情况下，凡是有电压或电流的设备都会产生
不同程度的电磁干扰，称为干扰源。由于生活中的干扰源普遍存在，电磁干扰现
象时常发生，影响周围设备的正常工作。如果一个系统中的各种用电设备能够和
谐相处、不会由于设备间的相互干扰造成某些设备性能的降低或损坏，就称这个
系统是相互兼容的。但由于各种设备功能的多样化、结构的复杂化、功率的增加，
以及设备灵敏度的提高，其抗干扰能力反而下降，因此各种设备间相互兼容的状
态很难达到。因此，这越来越引起世界各发达国家的重视，特别是 20 世纪 70 年
代以来，各国专家进行了大量的理论研究和试验，提出了电子设备或系统如何在
其所处的复杂电磁环境中能够正常工作，且对该环境下的其他设备或系统不造成
不能承受的影响，这就是电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）。
电磁兼容性是研究设备或系统的电磁干扰和抗扰度能力的学科。设备或系统
的电磁兼容性指设备或系统在其电磁环境下能够正常工作，既不发生其工作性能
的降低，又不干扰该环境下的其他事物的工作状态。实际上，设备的电磁兼容性
包括两方面的要求：一是指设备对其运行下的电磁环境的骚扰不能超过一定的限
度，防止影响其他的设备的工作状态；二是指设备对其运行下的电磁环境的骚扰
具有一定的抗扰度能力，保证自身的工作状态不受改变，即电磁敏感度 EMS
（Electromagnetic Susceptibility）。电磁兼容技术已引起实业界的高度重视，成为一
个非常活跃的科学领域，各种集电磁兼容技术和工艺于一身的设计也已陆续进行。
在电磁兼容技术发展的过程中，制定系统和产品在电磁兼容性方面的标准和
电动手术床的电磁兼容性研究与设计
2
规范一直是一个很重要的工作。由于电磁兼容的复杂性，在整个产品开发、调试
和完成的各个阶段，都要考虑采用的电磁兼容技术和开展电磁兼容性标准测试，
来找出产品各个层面可能存在的电磁兼容性风险。
医用电气设备是电子设备中的一种，它主要利用计算机技术、电子技术和数
字技术等来完成设备的控制、图像的显示以及数据的传送。现代医用电气设备的
数字化，一方面加速了设备的小型化、便携性及低功耗，另一方面也加大了设备
间的电磁干扰。空间存在的电磁干扰会使电磁兼容性较差的医用诊断仪器性能变
差，为医生提供失真的数据、波形及图像等病人信息，延误病人的治疗，比如检
验分析仪器不准确造成分析结果出错、电生理监测仪器出现故障使输出波形失真、
心电图失灵和报警设备不能正常工作、呼吸器和心脏监护设备突然停止、影像诊
断装置出现故障等。表 1-1 是FDA 医疗设备专家及临床医生做的一个调查，来说
明电磁干扰对多种医疗设备的工作性能带来的风险高低[1]。
表1-1 电磁干扰（EMI）对医疗设备带来的风险高低
医疗设备名称
EMI 对医疗设
备带来的风险
医疗设备类型
心脏起搏器，心脏除颤器
高
生命支持类
药物输液泵
高
生命支持类
无线遥测监护设备
高
诊断类
植入式脑深部刺激器
高
治疗类
婴儿保育箱
高
生命支持类、治疗类
超声治疗设备
高
诊断类
动力轮椅
高
输送类
呼吸机
中
生命支持类
麻醉机
中
治疗类
血液透析装置
中
生命支持类
近年来，随着无线技术的迅速发展，各种无线通信技术也在医院的各个方面
大量应用。一方面，许多医疗设备本身都集成了无线技术，比如蓝牙、WIFI 等，
方便进行病人的监护、设备的控制以及设备间的相互通信等；另一方面，无线技
术也集成到了医院的基础建设中。虽然无线技术方便了病人的诊断和医护人员的
工作，但是它本身较容易受到其他干扰源的影响，并且在使用过程中产生较大的
电磁辐射，使医院内的电磁环境更加复杂[2,3]。
上海市食品药品监督管理局在 2007 年~2010 年期间对其辖属的 46 家企业 49
台/件医疗设备进行了电磁兼容性检测[4]。接受检测的设备集中于手术室和重症监
护室医疗设备，如呼吸机、麻醉机、高频电刀、电动手术床、心电和脑电图机、
多参数监护仪等安全风险较高的设备。检测结果显示，设备整机的不合格率占
77%，并且问题主要集中在医疗设备的电磁抗扰度方面，约占总电磁兼容方面问题
的2/3。这说明医疗设备在临床使用时如果受到外界的电磁干扰，其性能可能会大
摘要：

摘要随着科学技术的不断发展和广泛应用，各种电子电气设备向着多样化、高集成度、高处理速度方向发展，导致空间电磁环境日益复杂，严重影响电子设备的正常工作。同时，无线通信技术的大量应用也加重了环境中的电磁干扰现象。特别是手术室空间小、医疗设备相对比较集中、干扰源较多，则电磁干扰现象更为严重，影响手术室设备的正常工作，危及病人的健康。由于目前电磁环境日益恶化，国内外标准组织越来越重视电子电气设备的电磁兼容性。国际电工委员会（IEC）下属的三个技术委员会及其他的国际组织，主要进行电磁兼容方面的研究和国际标准的制定，出版和发布了大量的电磁兼容方面的标准；并且，我国相关的电磁兼容标准组织也完成了各种电磁兼容...

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作者：侯斌 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：78 页 大小：1.3MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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