醫(yī)療器械中電磁干擾的來源及影響

本文要點

手機、掃描儀、安檢設(shè)備、射頻識別 (RFID) 設(shè)備和微波等電子系統(tǒng)都可能成為醫(yī)療器件的電磁干擾來源。

暴露在容易產(chǎn)生電磁干擾的環(huán)境下也會對植入式醫(yī)療器械構(gòu)成潛在威脅。

經(jīng)皮神經(jīng)電刺激療法 (TENS)、磁共振成像 (MRI)、牙科設(shè)備、除顫器和神經(jīng)刺激等醫(yī)療程序都會產(chǎn)生電磁干擾。

手機可能會干擾心臟起搏器和植入式神經(jīng)刺激器等植入式醫(yī)療器械

現(xiàn)代醫(yī)療機構(gòu)使用各種電子設(shè)備為患者提供臨床支持。但是，這些醫(yī)療器械也可能帶來危害，其中最主要是會產(chǎn)生電磁干擾。醫(yī)療器械中的電磁干擾可能導(dǎo)致火災(zāi)事故或致使設(shè)備在危急情況下無法運行。

除了醫(yī)療器械產(chǎn)生的電磁干擾，醫(yī)療設(shè)備還可能受到外部電磁信號的影響。使用手機或便攜式電子設(shè)備等外部設(shè)備可能會干擾或損壞神經(jīng)刺激器植入物、心臟起搏器或植入式心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器等醫(yī)療電子器械。為避免這種情況發(fā)生，國際電工委員會（IEC）、國際無線電干擾特別委員會（CISPR）和電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）等監(jiān)管機構(gòu)制定了相關(guān)規(guī)定，旨在減少醫(yī)療器械中的電磁干擾影響。

哪些類型的電磁干擾會影響到醫(yī)療器械？

電場和磁場相互作用會形成電磁場。當(dāng)電子設(shè)備附近有一個或多個來源的電磁場或能量干擾了設(shè)備的正常運行時，就視為產(chǎn)生了電磁干擾。電子系統(tǒng)的某個部分產(chǎn)生的電磁能量，會干擾同一系統(tǒng)中其他部分或子系統(tǒng)的正常運行，這種現(xiàn)象也被視為電磁干擾。

電磁干擾 (Electromagnetic Interference，即 EMI) 可分為：

傳導(dǎo) EMI：耦合到電氣或電子設(shè)備、電源電纜或相關(guān)電路中的電磁能量稱為傳導(dǎo)輻射。傳導(dǎo)輻射可進一步分為共模干擾和差模干擾。

輻射 EMI：電子設(shè)備發(fā)射電磁信號，干擾附近設(shè)備的運行。此類頻率范圍在 30 MHz 至 1 GHz 之間的輻射稱為輻射電磁干擾（輻射 EMI）。

醫(yī)療電子器械同時受到傳導(dǎo) EMI 和輻射 EMI 的影響。下面讓我們將介紹 EMI 的來源。

醫(yī)療器械中的電磁干擾源有哪些？

影響醫(yī)療器械的電磁干擾有自然和人為兩種來源。雷暴、閃電、太陽耀斑或宇宙噪聲對醫(yī)療器械的影響屬于自然電磁干擾事件。無線技術(shù)的廣泛應(yīng)用、現(xiàn)代通信服務(wù)、新的傳輸方法、電磁頻譜的高密度占用、醫(yī)療電子器械越來越先進以及醫(yī)療器械在醫(yī)院環(huán)境以外的環(huán)境使用更加頻繁，這些都是造成電磁干擾的一些人為原因。

在分析影響醫(yī)療器械的電磁干擾源時，附近設(shè)備產(chǎn)生的電磁場是需要考慮的關(guān)鍵因素。這些 EMI 源可能是磁性的、電氣的或非電氣的。手機、掃描儀、安檢設(shè)備、射頻識別 (RFID) 設(shè)備和微波等電子系統(tǒng)都可能對醫(yī)療電子器械造成嚴(yán)重影響。

就植入式醫(yī)療電子器械而言，患者所處環(huán)境和使用區(qū)域是不可預(yù)測的，因此這些器械很容易受到電磁干擾的影響。暴露在容易產(chǎn)生電磁干擾的環(huán)境中，如存在電弧焊、無線電塔、電源、電動馬達和內(nèi)燃機馬達的環(huán)境等，也會對植入式醫(yī)療器械構(gòu)成潛在威脅。

某些醫(yī)療程序，如經(jīng)皮電神經(jīng)刺激 (TENS)、磁共振成像 (MRI)、牙科設(shè)備、除顫器和神經(jīng)刺激，會誘發(fā)電磁干擾并導(dǎo)致附近的醫(yī)療設(shè)備功能失調(diào)。

電磁干擾對醫(yī)療器械的影響

醫(yī)療器械中的電磁干擾可能會導(dǎo)致患者受傷，在最嚴(yán)重的情況下，甚至?xí)?dǎo)致死亡。環(huán)境或系統(tǒng)中的電磁干擾可能會導(dǎo)致有源醫(yī)療器械停止運行，對患者造成嚴(yán)重傷害。無線技術(shù)的發(fā)展與一系列先進醫(yī)療器械的出現(xiàn)，使得醫(yī)療電子設(shè)備更容易受到電磁干擾的影響。

日常案例

使用手機可能會很危險——在某些情況下，手機會干擾輸液泵的運行，導(dǎo)致患者用藥過量。事實上，無線設(shè)備和無線電發(fā)射器的廣泛使用會對大多數(shù)重癥監(jiān)護醫(yī)療器械造成干擾。

電磁干擾還曾導(dǎo)致輪椅意外移動、患者監(jiān)護儀讀數(shù)錯誤以及植入式設(shè)備暫時失靈。植入式心臟起搏器、人工耳蝸、腦脊液 (CSF) 分流裝置、神經(jīng)刺激器和視覺假體等非固定醫(yī)療器械，很容易受到安全金屬探測器、機場掃描儀和防盜系統(tǒng)等設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾的影響。未知或意外來源的電磁干擾會導(dǎo)致植入式器械記錄到不存在的器官異常行為。這種錯誤會不必要地激活植入式刺激器，并可能給患者帶來痛苦。

顯然，醫(yī)療器械中的電磁干擾可能會造成極大的危害。幸運的是，監(jiān)管機構(gòu)發(fā)布了一些標(biāo)準(zhǔn)，如 IEC 60601-1-2 和 CISPR 11 Class A，旨在規(guī)范醫(yī)療器械和系統(tǒng)在電磁環(huán)境下的安全和性能。這些標(biāo)準(zhǔn)是為了提高醫(yī)療器械的電磁合規(guī)性而制定的。在這方面，Cadence 軟件提供了信號完整性/電源完整性工具，有助于盡可能提高電磁合規(guī)性。

電磁分析：該使用哪種電磁求解器

進行 EM 分析的主要原因有兩個：一是了解設(shè)計中的信號是否符合性能規(guī)格，二是了解設(shè)計在電路/系統(tǒng)中是否存在意外的EM 耦合。

此外，可能還需要在不同的情況下進行 EM 分析。第一種情況是正在進行設(shè)計（芯片、封裝、電路板、系統(tǒng)），并且希望了解當(dāng)前設(shè)計的電性性能，此時需要實現(xiàn)高性能和集成；第二種情況是在簽核過程中，需要確定最終的設(shè)計結(jié)果是否和預(yù)想的一樣好，此時相比于性能，則更關(guān)心精準(zhǔn)度。