USB隔離技術(shù)在醫(yī)療系統(tǒng)的應用

　　通用個人電腦(PC)的廣泛普及正在重塑醫(yī)療系統(tǒng)的構(gòu)建方式。這些醫(yī)療系統(tǒng)的核心就是PC，只是采用專門的軟件和針對醫(yī)療應用定制的功能對其進行了配置。這種方法降低了成本，縮短了開發(fā)時間，因為許多PC組件的價格已經(jīng)很低。這種技術(shù)還能與其它系統(tǒng)(如服務技術(shù)人員的筆記本電腦)和外設(shè)(如打印機、鍵盤和鼠標)實現(xiàn)更好的互操作。然而，由于標準PC接口缺少直接、具有成本效益的隔離方案，這種技術(shù)的應用有時會很受到阻礙。

　　這是ADI公司的單芯片USB隔離器，利用內(nèi)部穩(wěn)壓器可以在5V USB電源或系統(tǒng)提供的3.3V電源下工作。

　　RS-232是一種很容易隔離的PC通信端口，但正在被逐步淘汰，讓位于一種更具魯棒性、更高速度的接口USB，而且?guī)н@種接口的外設(shè)已經(jīng)相當多。然而，這種接口與RS-232不同，很難進行隔離，因為它是差分和雙向接口。直到最近，USB隔離還需要使用多個USB控制器、隔離器和其它元件，不僅增加了成本，而且延長了開發(fā)時間?，F(xiàn)在，新的USB隔離技術(shù)已出現(xiàn)，它可將隔離醫(yī)療設(shè)備中USB所需的全部功能集成在一起，不需要額外的元件，無需修改主機或外設(shè)軟件就能直接將其插入到USB信號路徑中。

　　隔離式接口

　　醫(yī)療系統(tǒng)使用隔離來保護操作人員、病人或系統(tǒng)本身的安全。隔離也能將系統(tǒng)某個部件產(chǎn)生的噪聲與另一個對噪聲更敏感的部件隔離開來。凡需要安全性的應用場合，隔離器件都要受到像UL和IEC等組織設(shè)立的標準約束，所適用的標準取決于具體應用。例如，IEC 60601規(guī)定了對醫(yī)療設(shè)備的安全性要求，而IEC 60950適用于信息技術(shù)設(shè)備。

　　下面介紹在安全性標準中與醫(yī)療系統(tǒng)的隔離等級或質(zhì)量有關(guān)的一些特定術(shù)語：

　　隔離額定值。隔離額定值通常規(guī)定為交流電壓，是指隔離器能夠承受的瞬時過電壓。典型值是2.5kV rms、1分鐘，但有更高隔離要求的醫(yī)療系統(tǒng)可能規(guī)定為5kV rms、1分鐘。

　　工作電壓。工作電壓是指連續(xù)加在隔離上的電壓。與隔離額定值一樣，工作電壓通常也規(guī)定為交流電壓，但隔離阻障需要能夠在整個工作壽命期間承受這個電壓。工作電壓典型值約400V rms。

　　增強型隔離。增強型隔離通常是醫(yī)療系統(tǒng)提出的要求，它規(guī)定的隔離值等效于兩個獨立系統(tǒng)的隔離。這種等效性需要通過確保隔離阻障能夠承受比如10kV的短時持續(xù)浪涌電壓來確定。增強型隔離常見于IEC標準，例如針對醫(yī)療應用的IEC 60601-1。

　　爬電距離。爬電距離是指沿著隔離阻障兩側(cè)的兩導體之間封裝表面的最短距離。

　　空隙?？障妒侵竷蓚€導體之間的最短空氣距離。特定應用要求的爬電距離和空隙取決于許多因素，包括安全標準、隔離類型(基本/單或者增強/雙)、工作電壓等。

　　與病人安全有關(guān)的醫(yī)療設(shè)備一般要求增強型隔離，工作電壓為125V rms或250V rms，爬電距離和間隙為至少8mm。

　　隔離等級取決于系統(tǒng)是如何劃分的。圖1給出了帶各種接口的一般醫(yī)療設(shè)備框圖，并標出了可以實現(xiàn)隔離的位置。病人必須與主系統(tǒng)隔離，因此在B、C或D點要求對病人進行安全性隔離。在很多情況下，D點是不需要隔離的，因為傳感器或其它設(shè)備必須直接連接病人。在其它情況下，如超聲波設(shè)備，D點的隔離由傳感器頭部的塑料外殼提供。C點的信息仍處于模擬域，因此又要隔離又要保持精度很不經(jīng)濟。這樣，醫(yī)療設(shè)備中的隔離通常在B點實施，但這會使操作人員和外設(shè)處于無保護狀態(tài)，因此還需要在其它接口處實施隔離。

　　圖1：一般醫(yī)療設(shè)備的框圖，圖中標示了可以實施隔離的接口位置。

　　醫(yī)療安全標準允許兩種類型的隔離：病人保護型(MOPP)和操作人員保護型(MOOP)。MOPP遵守IEC 60601規(guī)定，MOOP則遵守嚴格程度較低的規(guī)定，比如IEC 60950。在上述例子中，系統(tǒng)可以被劃分為要求接口B通過IEC 60601認證，而接口A、E、F和G可能只要求通過IEC 60950認證。

　　一些醫(yī)療系統(tǒng)為了確保最高安全等級，所有接口都要求符合IEC 60601，因為這些系統(tǒng)可能允許病人接觸外圍設(shè)備。另外，系統(tǒng)中與病人連接的部分可能被認為是一個外設(shè)，會連接到圖中所示E、F和G接口中的任何一個。IEC 60601還規(guī)定了使用高電壓除顫器時的安全性。與病人連接的任何設(shè)備只要沒經(jīng)過IEC 60601認證，那么在除顫期間必須被移走，不管有沒有時間這樣做。

　　USB的采用

　　系統(tǒng)內(nèi)部接口，如圖1中的A、B和C點，通常為UART、SPI和I2C，具體取決于成本、性能和尺寸要求。而系統(tǒng)架構(gòu)師還要根據(jù)互操作性選擇外部連接端口。過去，PC系統(tǒng)依賴于RS-232串行通信。但RS-232在PC上、特別是筆記本上越來越少，帶RS-232的外設(shè)數(shù)量也在急劇減少。

　　相反，USB卻快速增長，部分原因是USB接口的迅速普及和大量外設(shè)的支持。USB的即插即用特性還能降低開發(fā)費用和減少對專用軟件的需求。在醫(yī)療設(shè)備中，USB的使用不只限于受過專業(yè)訓練的操作人員，病人也可以在家里使用USB設(shè)備將數(shù)據(jù)下載到USB存儲器，然后帶到醫(yī)院供醫(yī)生診斷時使用。USB還能用來將傳感器或其它測量設(shè)備連接到主系統(tǒng)。USB的優(yōu)勢之一是允許多達127個設(shè)備在一條總線上工作，因此即使只有一個USB端口也能使用多個外設(shè)。相反，RS-232串行通信端口只能處理一個設(shè)備。

　　USB隔離

　　總之，USB與RS-232相比具有一些明顯的優(yōu)勢，包括：

　　可擴展到127個外設(shè)。

　　即插即用操作

　　熱插拔能力

　　高數(shù)據(jù)速率(1.5Mbps、12Mbps和480Mbps)。