醫(yī)療電源的選擇

前言

當(dāng)今社會，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的現(xiàn)代醫(yī)療器械得到了飛速發(fā)展，特別是直接與人體相接觸的電子儀器，除了對儀器本身性能的要求越來越高外之外，對人體安全方面的考慮也越來越備受關(guān)注，例如：心臟穿刺監(jiān)視器、超聲波、母嬰監(jiān)護(hù)儀、嬰兒保溫儀、生命監(jiān)護(hù)儀等等一些與人體緊密接觸的儀器，也就是說病人使用儀器時不能因?yàn)槭褂脙x器而對人體造成有觸電或者其他方面的任何危險(xiǎn)。

醫(yī)療電源的選擇

醫(yī)療電子，與其他定位于大眾市場及在乎成本的消費(fèi)電子和其它低價(jià)產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域的電子和功率電子不同，醫(yī)療電子要遵守的規(guī)則多得多。如果設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)，針對系統(tǒng)功率電源部分首先要考慮的問題是：購買還是制造有關(guān)的解決方案？

由于醫(yī)療電子產(chǎn)量一般相對較低，設(shè)計(jì)人員必須考慮購買或自制的問題。醫(yī)療電子的設(shè)計(jì)人員很少考慮自己設(shè)計(jì)離線功率電源。因?yàn)檫@類特殊的設(shè)計(jì)和測試所需的投資與最終的產(chǎn)量規(guī)模不相配；設(shè)備制造商會發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的產(chǎn)量難于或不可能分?jǐn)傇O(shè)計(jì)階段付出的投資。所以，向已經(jīng)擁有相應(yīng)的專業(yè)設(shè)計(jì)能力和測試技術(shù)的公司直接購買功率電源更合算。

1.價(jià)格

在商業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)中，如果質(zhì)量有保證時，人們很容易在貨比三家后直接選中價(jià)格最低的電源產(chǎn)品。這個時候，價(jià)格最低但“過得去”的產(chǎn)品往往是贏家，而最好的產(chǎn)品卻不受歡迎。這對那些很快就被廢棄或不需要維修的一次性電子產(chǎn)品倒是沒什么不好，但如果設(shè)計(jì)人員隨便選一個這樣電源來用到醫(yī)療系統(tǒng)中會有何風(fēng)險(xiǎn)呢？醫(yī)療電子的價(jià)值都很高，需要完成一些關(guān)鍵的任務(wù)。假如醫(yī)療系統(tǒng)發(fā)生故障，其后果絕不只是錯過了一場比賽或者搭錯了一趟車那么簡單。醫(yī)療設(shè)備的正常運(yùn)作生死攸關(guān)，特別是醫(yī)療設(shè)備的電源，都必須符合安全、漏電、EMI-RFI輻射和防護(hù)方面的相關(guān)規(guī)定。這些標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的安全規(guī)范構(gòu)成了一整套嚴(yán)格的規(guī)范性要求。用于這類要求嚴(yán)格的應(yīng)用系統(tǒng)中的電源在絕緣措施上必須符合嚴(yán)格規(guī)范，以防止病人和醫(yī)務(wù)人員觸電。EMC也是個關(guān)鍵問題，這包括在如何減少電磁輻射和如何防護(hù)電磁輻射兩個方面。因此，對醫(yī)用電源的設(shè)計(jì)而言，首選的必須是產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。

常常，設(shè)計(jì)人員對商用電源與醫(yī)療電源混淆不清，而面向大眾市場制造各種低價(jià)電源的廠家可能將這些商用電源不作改動作為醫(yī)用電源銷售。對此，購買者必須小心，因?yàn)樨潏D便宜而選中這樣的電源產(chǎn)品會釀成可怕的后果。所以，設(shè)計(jì)人員因此需要了解相關(guān)的規(guī)定和法規(guī)。那么，選擇醫(yī)用電源會涉及到哪些問題呢？醫(yī)療設(shè)備的電源，都必須符合安全、漏電、EMI-RFI輻射和防護(hù)方面的相關(guān)規(guī)定。其它還有一些問題，如包括是否由獲得GMP認(rèn)證的工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品？

2.GMP資格

美國食品藥物管理局(FDA)要求醫(yī)療產(chǎn)品必須由獲得GMP資格(即具有良好作業(yè)規(guī)范)的工廠生產(chǎn)。這是除傳統(tǒng)ISO9000認(rèn)證外應(yīng)當(dāng)要求廠家出示的一套質(zhì)量認(rèn)證體系，以證明其質(zhì)量控制規(guī)程符合GMP規(guī)范。同樣，中國也有醫(yī)療電源方面的嚴(yán)格控制，例如必須符合CE、UL醫(yī)療認(rèn)證等一系列要求。

GMP規(guī)范規(guī)定廠家必須要有部件質(zhì)量控制規(guī)程，并且有相關(guān)的文件記錄。選擇醫(yī)療電源時，可問問廠家有部件質(zhì)量控制規(guī)程嗎？有質(zhì)量數(shù)據(jù)和測試文件嗎？可問問是什么程序，要求出示相關(guān)文件。要求廠家出示能夠證明其產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的文件，有信譽(yù)的廠家會樂意提供。我們發(fā)現(xiàn)許多低價(jià)廠家正在使用無商標(biāo)、無廠家的電源產(chǎn)品或冒牌電源產(chǎn)品，這給最終的醫(yī)療電子產(chǎn)品OEM帶來許多問題。如果廠家不能拿出有關(guān)的認(rèn)證文件，而他們只是將POS終端的電源改頭換面后當(dāng)醫(yī)用電源銷售，那么，這樣的產(chǎn)品只會令用戶得不償失。因此，對一個好的醫(yī)療電源的選擇，GMP資格可以相應(yīng)的證明其產(chǎn)品生產(chǎn)與質(zhì)量控制，但這樣的產(chǎn)品就是好產(chǎn)品了嗎？不，我們還必須對產(chǎn)品的性能參數(shù)與可靠性進(jìn)行把握，即產(chǎn)品是否通過了一些國際通用規(guī)范。

EN60950是適用于通用電源要滿足的國際安全規(guī)范。醫(yī)用電源也需要滿足這個規(guī)范中的最低基本要求。但醫(yī)用電源的國際安全規(guī)范是更嚴(yán)格的IEC601-1 A2，并按地區(qū)不同有三個版本：歐洲的是EN60601-1、美國是UL2601-1及加拿大是CSA22.2 No 601.1。

這些規(guī)范涵蓋觸電防護(hù)、防火及機(jī)械等方面的技術(shù)指標(biāo)以及爬電距離和電氣間隙，以及高壓絕緣等試驗(yàn)方面的指標(biāo)。醫(yī)療電源必須采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)技術(shù)，確保在輸入異常時仍能穩(wěn)定工作，并能在某些特殊(如有氧氣和/或麻醉氣體)的環(huán)境條件下工作。在這些應(yīng)用中，防火也是個重要問題。

3.漏電流

漏電流是經(jīng)保護(hù)接地導(dǎo)體流到地的電流。在不接地的情況下，如果有導(dǎo)電通路(如人體)存在，該電流可從導(dǎo)電部件或非導(dǎo)電部件的表面流到地。安全接地導(dǎo)體中始終都存在外來電流。通常，醫(yī)用電源的漏電流上限是普通電源的十分之一。

IEC601標(biāo)準(zhǔn)的所有電源漏電流指標(biāo)遠(yuǎn)比非醫(yī)療用電源嚴(yán)格。其中技術(shù)指標(biāo)就定義了幾種不同的也最關(guān)鍵的漏電流，如：對地漏電流(沿接地體流入地)和外殼漏電流(通過病人從外殼流入地)。IEC601標(biāo)準(zhǔn)中針對如下三種主要類型的設(shè)備電源的最大漏電流作了不同定義：

B類：不與病人身體接觸的設(shè)備，如激光治療儀。
BF類：要與病人身體接觸的設(shè)備，如超聲波、各種監(jiān)視器(包括EGC設(shè)備)，以及手術(shù)臺。
CF類：要與病人心臟接觸的設(shè)備，如心臟穿刺監(jiān)視器。

人們通常會誤解以為這些設(shè)備類型的漏電流指標(biāo)不同。事實(shí)上，這幾類設(shè)備的允許漏電流是相同的。北美的指標(biāo)要求比歐洲EN60601-1規(guī)定的允許漏電流更嚴(yán)格些。例如，歐洲允許0.5mA，而美國和加拿大只允許0.3mA。因此，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員需注意其產(chǎn)品將會銷售到哪個地區(qū)。

而BF 或CF類設(shè)備(俗稱“接觸人體”的設(shè)備)還要求采取額外的絕緣措施，使病人與地、信號端口和電源輸出絕緣。這是為了在設(shè)備發(fā)生意外故障時保護(hù)病人，以及使病人身上的漏電流保持在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限度內(nèi)。這種絕緣也可通過最終設(shè)備的其它部分實(shí)現(xiàn)，如有足夠絕緣性能的塑料探針或套管。但在需要對病人通電的應(yīng)用場合，處理方法之一是采用符合IEC601-1 標(biāo)準(zhǔn)的AC/DC 電源對一個或多個隔離DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電，即又加第二級絕緣保護(hù)。所以必需仔細(xì)選擇DC/DC轉(zhuǎn)換器，以確保能達(dá)到絕緣要求。

由于醫(yī)療設(shè)備經(jīng)常都要直接與病人連接，而且會通過皮膚甚至皮下連接形成導(dǎo)電通路，因此漏電流必須盡可能為零，絕緣必須可靠，且不得有潛行電流。

4.安全與隔離

安全與隔離同樣是商用電源與醫(yī)用電源的一個重大差別，這對接受治療的病人及使用設(shè)備的醫(yī)務(wù)人員的觸電等安全保證相關(guān)。雖然人的皮膚算是個較好的絕緣體，但一旦有非常小的交流電流施加到心臟上，就可能導(dǎo)致心臟肌肉纖維性顫動和神經(jīng)肌肉損傷。所以涉及到病人的環(huán)境設(shè)備，任何可能與病人接觸的部分其電流必須嚴(yán)格限制在40-70Hz內(nèi)。

醫(yī)療器械應(yīng)用所需的保護(hù)級別與設(shè)備和病人的接近程度相關(guān)。對醫(yī)療系統(tǒng)供電來說，絕緣和保護(hù)指標(biāo)有三個安全級別。首先，所有離線電源都必須滿足EN60950標(biāo)準(zhǔn)中的基本安全要求。此外，要靠近病人的醫(yī)用電源還要符合IEC601-1標(biāo)準(zhǔn)。而接觸病人的設(shè)備除了滿足以上2個要求外，還需要有額外的隔離屏障來保護(hù)。還有在市電中斷時，醫(yī)院的備用發(fā)電機(jī)要幾秒或幾分鐘后才能供電。因此，許多醫(yī)用電源和使用這種電源的設(shè)備都通過UPS系統(tǒng)接力供電。從而，電源的輸入波形可能會改變，不再是理想的正弦波。所以，還需要在電源前端外接一個醫(yī)用變壓器來進(jìn)一步提高安全級別。所以，直接用到病人身上的設(shè)備必須滿足所有這些參數(shù)的最高絕緣技術(shù)指標(biāo)。

5. EMC電磁兼容

設(shè)備的電磁輻射和電磁輻射防護(hù)也是醫(yī)用電源的一個重要參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，涉及到電涌和瞬變電流強(qiáng)度、靜電放電(ESD)電平，以及射頻干擾(RFI)防護(hù)能力。對醫(yī)用電源來說，這些電氣指標(biāo)必須是同等級商用產(chǎn)品的三倍。許多醫(yī)療應(yīng)用都涉及RF治療儀或無創(chuàng)電子手術(shù)器械，因此電源必須能抵御干擾，不受影響。合格的醫(yī)用電源應(yīng)符合與EMC相關(guān)的許多技術(shù)要求相配合的EN60601-1-2標(biāo)準(zhǔn)。不僅如此，醫(yī)用電源還必須滿足IEC61000-4-2 ((靜電防護(hù)能力，要求達(dá)到6kV)、IEC61000-4-3 (射頻輻射防護(hù)能力，要求達(dá)到3V/m)、IEC61000-4-4 EFT (電壓瞬變承受能力，要求達(dá)到2kV)、IEC61000-4- 5 (浪涌承受能力，要求達(dá)到1kV和2kV)、IEC61000-3-2 (市電線路諧波要求)、IEC61000-3-3 (電力線閃變要求)，以及EN55011 (A類產(chǎn)品或B產(chǎn)品輻射限制)等要求。為此，符合IEC601-1標(biāo)準(zhǔn)的電源一般都遵守EN55022/11A類設(shè)備規(guī)范，而不是更為嚴(yán)格的B類EMC規(guī)范。這些設(shè)備也可以設(shè)計(jì)得符合B類EMC規(guī)范，但必需額外采取更復(fù)雜的濾波和屏蔽措施，使得設(shè)備尺寸增大、成本增加。

其它還有一些要求，涉及到特定的應(yīng)用場合：如系統(tǒng)可能要在急救車車上使用，會出現(xiàn)電壓沖擊，對此，電源至少應(yīng)符合IEC 68-2-29標(biāo)準(zhǔn)；有些設(shè)備是便攜設(shè)備，可能在直升機(jī)上使用，會出現(xiàn)隨機(jī)性振動，對此，電源應(yīng)符合MIL-STD-810E標(biāo)準(zhǔn)。

案例：曾經(jīng)有客戶采用了低成本的“醫(yī)用電源”，該電源電壓5V、電流200mA，幾百個批量的單價(jià)為5美元。采用這種電源的設(shè)備要賣數(shù)萬美元。這個價(jià)格低得驚人的電源好象很不錯，如果說它好得讓人懷疑，還真是如此。拆開這種電源后發(fā)現(xiàn)，它只有一塊單面印刷電路板，且為節(jié)省成本，電路板沒有金屬化通孔。電路板采用表面安裝結(jié)構(gòu)，且元件密度很大。元件間距根本不符合醫(yī)療用電源和相關(guān)安全管理機(jī)構(gòu)規(guī)定的爬電距離要求和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。漏電流達(dá)900mA，遠(yuǎn)超過規(guī)范限度。爬電距離和電氣間隙電壓指標(biāo)還達(dá)不到通用電源中使用的電壓。高壓區(qū)域間的間距只有0.5 mm，并采用阻焊劑來提高點(diǎn)介質(zhì)抗御能力。功率MOSFET的引腳間距本應(yīng)加大，以增加爬電距離，但這種電源并沒有這樣處理，很可能是因?yàn)榭紤]到制造成本和這樣做會占更多空間。鋁制散熱片通過一些扣爪插入電路板中，然后焊接固定。一但處理不正確，散熱片易發(fā)生松動。反激電路中的MOSFET是無廠家的fullpak封裝器件，有一個聚硅酮外套，并有絕緣帶加在散熱片上，因而阻礙了器件與散熱片的接觸，這樣使用中將有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的熱穩(wěn)定性問題，即當(dāng)MOSFET已經(jīng)過熱時，散熱片還是冷的。這種電源剛好滿足商用EMI-RFI要求，但不符合醫(yī)用電源要求。

這種電源還存在其它一些問題，如整個電源內(nèi)到處都存在虛焊。使用時，即使被正確裝配，也沒準(zhǔn)會在什么時候出故障。這種電源，盡管被當(dāng)作醫(yī)療用電源銷售，但其本身本來就不是按照醫(yī)療用要求設(shè)計(jì)的，除了輸入電壓和輸出電壓及電流，就沒有相關(guān)的文件和技術(shù)指標(biāo)了。這種電源除了價(jià)格低得驚人外，別的性能要求遠(yuǎn)達(dá)不到醫(yī)療電源的要求。為何有人只希望將電源成本降低到如此水平，而故意冒如此多的風(fēng)險(xiǎn)？畢竟，電源是高溫、高壓、噪聲、漏電流、火災(zāi)等風(fēng)險(xiǎn)和危險(xiǎn)的主要源發(fā)地。

所以在選定和購買醫(yī)療用電源時，要考慮有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，必須從有信譽(yù)、能提供符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的證明文件，并遵守質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)和要求的廠家那里購買。