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[摘要]目的电磁兼容问题是影响医用电气设备安全有效的重要因素之一。辐射发射是电磁兼容比较容易出问题的项目。研究呼吸机在不同通气模式下的辐射发射水平的差异，有助于规范呼吸机的电磁兼容检验方法，提高检测效率。方法呼吸机的不同通气模式下的控制主要通过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号调制加载在吸气阀和呼吸阀两端的电流，从而调节阀体开度实现。本研究一方面从理论方面分析了PWM信号调制阀体两端电流与辐射发射水平的关系，另一方面也进行了实际测试。结果实验表明呼吸机在不同PWM调制电流下，辐射发射水平没有明显差异。理论分析也支持这一实验发现。结论呼吸机在不同通气模式下，辐射发射水平基本相同。建议针对呼吸机发射水平的检验，可以只针对一种通气模式进行检验，而无需对所有模式都进行检验。

引言

电磁兼容问题是影响医用电气设备安全有效的重要因素之一。随着电气产品的广泛应用，医用电气设备之间以及和非医用电气产品之间的电磁干扰和不兼容问题日益突出[1]。国家食品药品监督管理总局对医用电气设备的电磁兼容问题高度重视，于2015年1月1日强制执行行业标准YY0505-2012《医用电气设备第1-2部分：安全通用要求并列标准：电磁兼容要求和试验》。此标准执行以来，推动了我国整体医疗器械水平的提升。由于YY0505-2012强制实行时间不长，实际测试的策略和方法有很多地方值得研究，尤其是医疗设备在不同模式下发射水平如何，是否需要对所有工作模式都进行测量，并无明确的结论。其中，呼吸机在临床使用时，除了正确选择参数外，还要根据患者的病情选择不同的通气模式[2]。通常有以下几种通气模式：压力控制通气（PCV）、容积控制通气（VCV）、有创正压通气（IPPV）、压力支持通气（PSV）、同步间歇强制通气（SIMV）、持续正压通气（CPAP）等[3-5]。在不同模式下，不同的PWM调制电流，可能导致发射水平的变化。为了提高检测的效率和科学性，对不同PWM调制模式下辐射发射的研究是很有必要的。

1 呼吸机发射水平差异的理论分析

水平辐射发射是指电子电气设备在正常工作时，同时向周围空间辐射电磁骚扰。其干扰源主要来自于微处理器、微控制器、瞬时功率执行元件如继电器、开关电源、时钟等。电路中的辐射分为共模和差模两种方式[6]。

共模辐射是因电路中某些非必须的电压降产生的，这种电压降使系统的某些部件与大地之间产生一个共模的电位差。一般来说，共模电压更多的来自于系统中的电缆。电缆上流过的方向相同的电流为共模电流，共模电流产生共模辐射，辐射发射的频率由共模电势决定。本文中，我们主要讨论由于PWM控制差异导致的辐射发射水平差异，而PWM控制差异不属于共模信号，因此下文中不对共模辐射进行详细分析。

一对导线上流过的大小相等、方向相反的电流称为差模电流。差模电流产生差模辐射，当差模电流流过电路中的导线环路时，将引起差模辐射。一般来说，差模辐射是由电路中传送电流的导线所形成的环路产生的，这些环路相当于可产生磁场辐射的小型天线。

下面对于电流环的电磁辐射特性进行分析，位于xy平面上半径为b、带有电流I的磁环的辐射场为：

当测试点距离电流环非常近时，公式中

项起到支配作用，当远离测试点时，

项目起支配作用。在电磁兼容辐射发射试验中，一般只考虑远场的辐射发射，因此忽略高次项后，公式(1)可写成：

取

为真空磁导率，

为自由空间的固有阻抗，A=πb2为电流环面积

代入公式(2)并忽略电场方向性可得[7]：

其中：E为电场场强，单位为V/m；f为差模电流的频率，单位为Hz；A为差模电流的环路面积，单位为m2；I为差模电流的强度，单位为A；r为观察点到差模电流环路的距离，单位m，对YY0505的医疗设备，r可以取3 m和10 m（由式(3)可得出两个测试距离的限值相差约10 dB）。从式(3)可以看到电路中电流的频率越高，辐射往往越大。

呼吸机的发射水平应满足1组A类的要求。其中，1组包括为发挥其自身功能的需要而预期产生或使用传导耦合射频能量的所有工科医设备；A类设备是在非家用和不直接连到住宅低压供电网的所有设施中使用的设备[8-10]。

呼吸机控制原理一般可以分为吸气控制和呼气控制：吸气控制分为氧气气路和空气气路，两路都通过减压阀、比例阀、流量传感器来控制吸气的压力和流量，通过氧气传感器监视氧浓度。产生不同呼吸模式的根本原因是呼吸机根据流量和压力传感器的反馈值对呼气阀和吸气阀控制的策略不同[11-13]。目前，大多通过PWM调制方式调制加载在吸气阀和呼气阀上的平均电流值，调整阀体的开度[14-15]，从而达到控制患者口端流量和压力的目的。PWM的原理是把恒定的电压调制成频率一定、宽度可调的脉冲序列，从而改变平均输出电压的大小[16]。阀体的控制图及PWM调制信号，见图1。

图1 吸气阀的控制电路及P WM调制信号

三级管由PWM信号来驱动，在一个周期内，当PWM信号为高电平时，三极管饱和导通，阀体M两端的电压即为VDD。当PWM信号为低电平时，三极管截止，加在阀体M上的电压为0 V。阀体两端平均电压为

。其中，t为PWM信号的占空比，T为PWM信号的周期。一般情况下，PWM信号的周期T为一定值,只需调节PWM信号的占空比t，就可以控制阀体M的平均电压（电流）[16]。呼吸机控制两个阀的PWM控制信号的周期一般在100 μs量级，即基频在10 kHz。

由阀体开启引起的电流为差模电流。由公式(1)可知，当测试距离r在3 m时，f取10 kHz，由阀体开启引起的辐射水平E在如下范围：

其中差模电流环路面积A主要取决于电路板的环路面积和阀体的线圈面积。一般来讲，如果采用4层板的设计，电源层与地层的距离很近，环路面积基本可以忽略。A主要取决于阀体内线圈的面积，这里按照10 cm2量级估算。差模电流强度I可由图1中的电路图计算得到，即流经电机M的电流，其中电机（阀体M）工作电压一般为12 V，电机的等效电阻约20 Ω。流经电机的电流可由PWM信号控制，当PWM信号处于高电平时，三极管导通，此时有电流流过电机；当PWM信号处于低电平时，三极管截止，此时就没有电流流过阀体了。由此可知，发射水平E应满足：

其中I是可看成是一个幅度为0.6 A，与PWM信号周期与占空比相同的连续方波周期信号。此周期信号的频谱是非周期离散的。时域持续越宽的信号，其频域的频谱越窄；时域持续越窄的信号，其频域的频谱越宽。对I做傅里叶展开，可以得到：

其中f为差模电流的频率，与PWM信号的角频率一致，为10 kHz量级。

由上式可以计算出，对于差模电流中包含的大于30 MHz的分量，n满足(2n-1)2πf≥30 MHz，即n≥240。此时对应的分量幅度应小于

因此对应的发射水平E小于3.51×10-7μV/m=-129 dB μV/m。而标准规定在3 m的测试距离时，30～230 MHz频段的限值为50 dB μV/m；230 MHz～1 GHz频段的限值为57 dB μV/m（10 m的测试距离相应减去10 dB μV/m的限值）。上述差模电流引起的电场强度在测试频段范围内已衰减到很小的量级，所以不同的PWM调制模式对发射水平影响较小。

2 检测方法

本文针对YY0505-2012《医用电气设备第1-2部分：安全通用要求并列标准：电磁兼容要求和试验》中条款36.201.1(无线电业务的保护的检测，呼吸机的发射水平应满足1组A类的要求)，对呼吸机的电磁兼容展开检测。

试验环境是3 m法半电波暗室。测试对象是呼吸机不同的工作模式。由于PCV和VCV两种模式是呼吸机的基本工作模式，先对3台样品的PCV和VCV两种工作模式进行了检验；之后对1台样品在6种工作模式下的发射水平都进行了检验。

受试设备通过和人工电源网络相连接入电网，人工电源网络的测量端口接50 Ω的负载，当测量天线接收到骚扰信号后，信号通过连接器传至接收机中。测量天线距受试设备3 m。对30 MHz～1 GHz频段进行测量。水平极化方向和垂直极化方向均需测量，取接收机收到最大的射频噪声电平。

3 实验结果

样品1～3在PCV和VCV两种工作模式下发射级别的测量结果，见图2。样品1和样品2的辐射峰值基本均匀分布在整个测试频带。而样品3在峰值主要集中在60 MHz频段及300～500 MHz频段。一般来讲，电源模块产生的辐射噪声多在200 MHz以下[17]，而300～800 M的噪声主要来源于微控制器的晶振。结果同样表明，不同PWM调制模式下，呼吸机发射水平基本一致。

样品4在PCV、 VCV、IPPV、PSV、SIMV和CPAP 6种工作模式下发射水平的测量结果，见图3。峰值主要集中在500 MHz频段附近。该频段的噪声往往由于微控制器的晶振所导致。由图中可以看出，在不同PWM调制方式下，呼吸机的发射水平并无明显差异。

4 结论

PWM控制信号基频在0～10 kHz，而YY0505辐射发射水平的检测频率在30 MHz以上。上述控制信号控制的阀体电流的发射，在这一频率范围内已衰减到很小的量级，所以呼吸机的不同PWM控制信号对发射水平影响较小。本文通过理论分析和实际检验结果，表明呼吸机不同的PWM调制，对其发射水平不会有明显差别。对于针对呼吸机发射水平的检验，可以只针对一种通气模式进行检验，而无需对所有工作模式都进行检验。对于呼吸机以外的其他设备，工作模式的影响可以采用同样的方法进行分析和测试，并逐步寻找规律性结论，科学优化和加速检测活动。

图2 不同样品在PCV和VCV两种工作模式下发射级别的测量结果

注：a.样品1；b.样品2；c.样品3。

图3 样品4在所有工作模式下发射级别的测量结果

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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

Abstract: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.

Key words:electromagnetic compatibility; radiated emission; ventilator; pulse width modulation

基金项目：中国食品药品检定研究院中青年基金项目（2016C5）。

通讯作者：任海萍，主要研究方向为生物医学工程，医疗器械检定。

不同通气模式下 呼吸机发射水平的研究

引言

1 呼吸机发射水平差异的理论分析

2 检测方法

3 实验结果

4 结论

不同通气模式下呼吸机发射水平的研究