电生理诊断中模拟手的应用
引言
近年来，随着高敏感性电子技术在医用电气设备中广泛应用和新通信技术在社会生活各领域的迅速发展，空间电磁波频段不断拓展，使电磁环境日益复杂[1-2]。对于医用电气设备来说，在复杂的电磁环境中有些被干扰的设备可能直接涉及生命安全。因此，电磁兼容性就显得尤为重要。电磁兼容检测要求受试设备（Equipment Under Test，EUT）或系统模拟其正常运行状态需要其他的辅助设备及工装来实现。模拟手作为辅助设备旨在检测过程中模拟EUT的正常使用，因此，模拟手的规范使用对于检测工作的规范进行具有重要意义。YY0505-2012对医用电气设备的电磁兼容检测进行了规定。其中，对于模拟手的使用，重点强调了传导发射试验、电快速瞬变脉冲群试验、传导抗扰度试验三个试验。下面通过对电生理诊断类设备进行试验，研究模拟手的原理、使用规范以及对上述三个试验的影响，并通过对EUT进行试验来验证其影响。
1 标准原理
医用电气设备和医用电气系统的电磁兼容性检测依据标准YY 0505-2012进行检测，在医用电气设备电磁兼容测试中，传导发射试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度、传导抗扰度试验中涉及模拟手的使用。模拟手的使用，是为了还原医用电气设备的正常使用状态，即对于手持式部件，或是与患者有接触的患者耦合部分，需要模拟其接触部分与大地之间的人体阻抗。
模拟手的组成如图1所示，对于传导发射来说，M端的金属箔按照规定的方式借助RC组件连到测量系统的参考点，此参考点可以是人工电源网络或线路阻抗模拟网络的内部。对于电快速瞬变脉冲群抗扰度、传导抗扰度试验试验来说，其M端的金属箔连接手持式部件或患者耦合部件，RC组件连接到公共接地端。金属箔厚度为0.05 mm，宽度为60 mm，建议为铜箔，其长度需要根据实际情况来确定，但确定长度时要尽可能短，以便降低模拟手产生的寄生阻抗[3-6]。
金属箔和RC元件模拟了从患者到地的容抗、感抗耦合效应。金属箔模拟患者的电容耦合作用，RC元件模拟患者对地的射频阻抗[7-9]。RC单元由一个220（1±20%）pF的电容器和一个510（1±10%）Ω的电阻器串联而成，其一端接金属箔，另一端接测量系统的参考地（GB/T 6113.102-2008）。
图1 模拟手原理图
注：a. 多个患者耦合点的单一患者的设备；b. 多个患者的单一设备。
GB/T 6113.102-2008中规定，RC组件和金属箔之间的连线长度应为1 m。如果试验布置需要更长的连接线，则测量频率接近30 MHz时，该线的总电感应小于1.4 μH。
对键盘，可以用一个金属箔或更可行地用一个最大尺寸为100 mm×300 mm的金属板来放在键盘的上面。模拟手的原理如图1所示。
IEC 60601-2-27:2011中规定，在进行传导发射试验时，电缆的摆放需要按照如图2所示布置[10]。
图2 心电监护类传导发射试验布置图
注：① 电源线；② 信号输入/输出线；③ 绝缘支撑桌；④ EUT；⑤ 患者电缆；⑥ 患者模拟阻抗（51 kΩ电阻并联47 nF电容）；⑦ 金属板。Cp为220 pF；Rp为510 Ω。图中所有长度单位为m。
2 模拟手在传导发射中的应用
传导发射试验测试的是设备内部的骚扰源通过外接线缆（主要是电源线）传导的共模骚扰电压或功率。
GB 4824-2013中规定，为了模拟操作者手部对测量的影响，当手持式设备或部件进行电源端子骚扰电压测量时，需要使用模拟手[11-12]。为了降低测试系统对EUT测试结果的影响，模拟手的走线要与电源线一起走线，尽量减少地环路的面积，避免因 “就近接地”的方式，接收意外的骚扰[13-14]。模拟手的RC单元可以安装在人工电源网络的箱体内。
对多参数母亲胎儿监护仪设备以及胎儿监护仪设备以L线为例，通过对每一路探头加模拟手（如图1所示）与不加模拟手进行试验，所得数据分别如图3～4所示。通过图像显示可以发现，当对探头加模拟手进行试验的时候，图3在约22.5～28 MHz之间，增加模拟手明显比不加模拟手的情况下高。图4中，整个频率范围内，增加模拟手比不加模拟手整体趋势均高，且在约15 MHz以上的高频段尤其突出。模拟手的使用，在EUT与LISN之间通过接地参考平面增加了射频电流通路，从而形成一条闭合环路。环路中的磁通发生变化时，将在其中感应出电流，环路中有感应电流时，可能增大流过LISN的电流，LISN可能会检测到更大的传导骚扰[15-17]。
图3 多参数母亲胎儿监护仪设备L线-传导发射
图4 胎儿监护仪设备L线-传导发射
3 模拟手在传导抗扰和电快速瞬变脉冲群中的应用
传导抗扰度试验评估EUT对来自空间的频率为150 kHz～80 MHz的电磁场的抗扰度。当频率较低，波长大于机箱上的孔隙长度时，空间的电磁波难以穿过金属机箱上的孔隙，侵入设备内部。但设备的外接电缆（电源线、信号线、控制线、地线）作为等效电场天线可以接收空间的电磁波，感应出骚扰电压或电流，以共模传导方式作用到设备的敏感部分。常见的抗扰度试验主要是通过CDN注入电源线上和通过电流钳注入互连电缆上[16-18]。
电快速瞬变脉冲群试验是通过一定长度的电源线缆，将试验中的脉冲群传递到被测设备的电源端口处。对被测设备的干扰或是通过传输线上的传导方法进行耦合，即一端通过电容注入被测电源线上，另一端对通过耦合单元的接地端子与大地相连；或是传输线引起的近场辐射噪声，由于脉冲群干扰具有丰富的谐波成分，在通过传输线缆时，会向空间辐射，辐射的能量感应到邻近的电缆上，通过这些电缆进入设备内部形成近场干扰。对于信号/控制线缆施加干扰信号时，则借助于耦合夹与被测电缆之间的分布电容进入被测设备[19]。
在上述两种抗扰度试验中，对于电生理诊断设备中的患者耦合部件是这样规定的：
（1）由于电生理诊断设备可能具有多个患者耦合点，为了如实反映设备正常使用情况，在患者耦合点处需要增加模拟手，来模拟患者的射频阻抗以及电容耦合效应等。若设备只用于单一患者，使用如图1a所示的模拟手，RC组件的M端金属箔端连接到每个患者耦合点处，如果金属箔与患者耦合点的直接接触会影响设备的正常运行，可以在其之间增加一绝缘材料，其厚度应不超过5 mm。RC组件的另一端要接到公共接地点。
（2）如果设备可能用于多个患者同时使用，则应使用如图1b所示的模拟手，RC组件的M端金属箔端连接到每个患者耦合点处，如果金属箔与患者耦合点的直接接触会影响设备的正常运行，可以在其之间增加一绝缘材料，其厚度应不超过5 mm。用于每个患者的RC组件的另一端要单独连接到公共接地点。
GB 4824-2013中规定，对于手持设备以及正常使用时需要用手握持的手持式部件也应该增加模拟手进行试验，模拟手的使用如上述患者耦合点的使用方式布置一致。
通过对某公司的胎心监护仪进行上述抗扰度试验时，患者耦合部件加模拟手与不加模拟手试验进行比对发现，在某些频率段，患者耦合点加模拟手进行抗扰度试验时，EUT受到的干扰非常明显，显示的胎心数据波动很大，但对于患者耦合点不加模拟手的相同频率段进行抗扰度试验时，EUT受到的干扰很少或几乎不受影响。
通过分析可得知，电快速瞬变脉冲群试验中，导线之间可以产生寄生电容，由于这个电容的存在，使得一根导线上的能量能够耦合到另一根导线上，当两根导线之间存在分布电容时，导线间就会产生电容耦合[19]，如图5所示。而导体之间同时存在着分布电容C。模拟手的使用，可能会产生分布电容，会导致与其平行的线缆产生电容耦合，从而会将干扰引入到设备内部，增加了试验的严酷程度。
对于传导抗扰试验，通过分析可得知，模拟手的使用可能会使得其与地之间有分布电容，而患者耦合部件与地之间也有分布电容，且两个分布电容并联，可能会造成电容值增大而容抗值减少，导致注入的干扰信号电流可能会增大，使得EUT受到的干扰会更加严重。分布电容图如图6所示。
图5 电容耦合
图6 分布电容图
4 讨论
本文通过对模拟手原理进行分析，并用于电生理诊断类设备中进行电磁兼容检测，对试验结果分析发现其在传导发射、电快速瞬变脉冲群和传导抗扰度试验有影响。现行标准只是对模拟手施加的部位做了简单说明，本文通过对模拟手的原理及影响进行分析，讲述了模拟手的规范使用，对电磁兼容检测工作的科学严谨具有重要意义。
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