雍 偉，郭 磊，李法林，國 佳，張慕哲，薛兵杰，杜海波，江 瑯

(空軍特色醫(yī)學中心，北京 100142)

航空環(huán)境適應性是產品在其服役周期內可能遇到的各種極限環(huán)境作用下，能實現其功能、性能和(或)不被破壞的能力，是航空產品的一個重要特性[1-2]。航空環(huán)境適應性是航空產品在其設計過程中的重要考量，也是最低要求，最終通過試驗進行優(yōu)化與驗證[3]。在醫(yī)療救護飛機中，醫(yī)療設備種類多樣，例如呼吸機、監(jiān)護儀、吸引器、輸液泵等。然而，目前的醫(yī)療儀器通常為地面用設備，受成本、周期與需求特殊性等因素影響，在設計研制階段就將航空適應能力納入其中的較少，從而對航空載荷環(huán)境的適應性較弱[4-6]。

航空環(huán)境適應性要求主要包括低氣壓、溫度、鹽霧、霉菌、振動、加速度、電磁等，研究人員為提高產品的航空環(huán)境適應能力，從設計、材料、元器件、工藝等各方面進行了大量的工作，積累了豐富的經驗[7-13]。例如，某型航空電子防滑控制盒通過開展熱設計、電子元器件降額設計、抗干擾設計等優(yōu)化研究，顯著提高其高低溫、振動沖擊等環(huán)境適應性與可靠性[14]。葉慧[15]從材料選擇和結構設計兩方面對民用航空駕駛艙控制板組件產品開展設計分析，提高了產品的航空機械環(huán)境適應能力。盧建紅等[16-17]從涂層等新型航空材料上開展研究，提高航空產品的抗腐蝕能力。高晶晶等[18]針對航空開關中黃銅鉚釘濕熱環(huán)境斷裂問題開展分析研究，探明了失效機制并提出了應對策略。

據統(tǒng)計，機載設備的產品故障中，有52%的失效是因為環(huán)境效應所引發(fā)[19-20]。對于便攜類醫(yī)療設備，其小型化和輕量化設計大幅降低了設備尺寸質量，但也造成其結構件與電子元器件固有頻率低、強度小，對航空環(huán)境敏感性更高[21-23]。在傳統(tǒng)的航空適應性改造中往往主要關注強度問題。然而，對于心電圖機、彩色超聲診斷儀和數字X射線機等便攜式測試儀器設備，既包含有玻璃觸摸屏幕、鋰離子電池等易碎易燃功能組件，又具有大功率、強輻射、高精度等性能特點，為其航空適應性改造帶來了更多難題。

因此，本文選取改造特征與難點較為集中的某型便攜式心電圖機為典型案例，針對其航空環(huán)境下的工作能力下降等問題，開展航空適應性改造方法研究，探索形成一套醫(yī)療救護飛機便攜式設備的關鍵設計方法、測試方法與工藝流程等，特別是針對玻璃屏幕等關鍵組件的改造技術進行研究，用于指導該類型其他醫(yī)療儀器設備的航空適應性改造研制。

1 問題分析

1.1 基本特征分析

本研究所選用的某型便攜式心電圖機主要由彩色LCD顯示屏、按鍵面板、記錄器、波形數據處理器等部件組成，可將每一次心動周期產生的心電流放大，并描繪記錄成曲線，其性能的可靠性對獲得傷病員心臟參數信息、診斷心臟疾病具有重要作用。該心電圖機外形尺寸為236 mm×120 mm×322 mm，質量約3.9 kg，具有尺寸小、質量輕的便攜式特征，但由于相對薄弱的機電結構以及外部供電需求，為其在機上復雜環(huán)境下的可靠與安全工作帶來了挑戰(zhàn)。

1.2 目標參數分析

便攜式心電圖機設備通常在地面環(huán)境中使用，工作環(huán)境載荷與儲運條件較為良好。但若將其應用于醫(yī)療救護飛機中，必須滿足飛機平臺的航空載荷環(huán)境要求，主要包括振動、沖擊、加速度、低氣壓、溫濕度、電磁兼容等。我國當前的醫(yī)療救護飛機以螺旋槳飛機為主，其航空環(huán)境條件更為嚴酷，對機載設備的要求也更為嚴格。因此，在進行醫(yī)療設備的航空適應性改造前，必須參照GJB 150A、GJB 151A等軍用航空標準[23]，通過對各項載荷條件進行適用性剪裁，確立改造研究的目標參數。表1列出了心電圖機的原廠設備能力，并將其與裁剪的航空環(huán)境適應性要求參數進行了對比。

表1 心電圖機原廠參數與目標參數對比

1.3 問題分析

依據醫(yī)療救護飛機勤務使用流程，心電圖機屬于飛行全程可能使用的設備，必須保證其環(huán)境適應能力能夠完全覆蓋醫(yī)療救護飛機任務剖面。從表1的對比中可以看出，心電圖機原廠設備在設計上主要考慮地面級工作環(huán)境，主要依據醫(yī)療行業(yè)標準。對原心電圖機進行實驗室摸底試驗和試飛試驗時，還暴露出兩大明顯問題：①在振動沖擊等載荷條件下，心電圖機會發(fā)生連接件損壞、顯示屏破碎、接插件松動等結構失效問題；②受飛機平臺電磁環(huán)境與電源特性的干擾，導致心電圖機的測試結果不準確，無法在航空環(huán)境中使用。

因此，該心電圖機的低氣壓、振動、沖擊、加速度、高低溫等各項環(huán)境適應性能力均未達到航空環(huán)境要求，若未經改造，直接在醫(yī)療救護飛機中使用，不僅容易造成設備自身的失效與損壞，更會給飛機平臺帶來巨大的安全隱患。

2 改造工藝流程設計

2.1 改造原則

2.1.1 最小改動原則 航空醫(yī)療設備的改造應堅持最小改動原則，開展優(yōu)化設計，避免過度設計，避免大幅增加原設備的尺寸、質量，影響產品的便攜性特點。而且，增加過多的結構件與零組件，不僅會增加裝配工藝難度，也會大幅降低設備的可靠性與可維修性。此外，飛機平臺的承載能力有限，機載設備尺寸質量的減小，特別是大型機載設備，也有利于提高傷病員的運載能力，提高救治能力。

對于某些地面用醫(yī)療設備，雖然某些參數未按航空適應性標準參數進行標明，但是并不代表其實際適應性能力無法達到航空要求，因此，改造研究前開展摸底試驗與篩選分析是必不可少的。

2.1.2 不降低原設備性能，且不改變其功能 航空適應性改造的目的是提升醫(yī)療設備的各項環(huán)境適應能力，使其達到航空環(huán)境使用要求。一般而言，航空適應性改造研究工程師并非原醫(yī)療設備的研制人員，甚至并非醫(yī)學儀器專業(yè)領域人員，若盲目地改變原設備的功能，不僅存在安全性和可靠性降低的風險，而且不符合法律法規(guī)的。因此，航空適應性改造的基本宗旨是使醫(yī)療設備在航空環(huán)境下依然保持原有的各項功能，且性能不降低。

2.1.3 不干擾飛機平臺，不損傷機載人員 由于航空環(huán)境的敏感性與特殊性，飛行安全是航空產品設計的最基本原則，也是醫(yī)療設備改造的底線。以往研究更多關注的是機載產品自身的機械與電磁等防護，較少考慮對飛機平臺的影響。但隨著機載醫(yī)療設備種類和數量的增多，救治能力不斷提高，飛機平臺的負載增加，交聯(lián)也更加復雜。因此，必須保證醫(yī)療設備與飛機平臺之間有著最低的交互影響，從機、電、氧、阻燃等各方面降低風險，降低機載設備對飛機平臺的干擾，以及避免設備損壞對人員和飛機造成傷害。

2.2 改造工藝流程設計

通過以上分析可知，心電圖機的薄弱環(huán)節(jié)與改造內容較多，因此需要首先對其改造工藝流程進行設計研究，最大限度地降低研制費用與研制周期?；诤娇者m應能力要求項目與摸底試驗結果，將改造流程按照先整體后局部、由外向內的改造順序開展(圖1)。首先從航空力學適應性與電磁環(huán)境適應性能力方面對心電圖機的機械結構與電氣系統(tǒng)進行整體改造；然后，進一步開展低氣壓、高低溫、阻燃性等改造研究，實現心電圖機航空適應能力的全面提升；最終通過設備醫(yī)學性能鑒定試驗，確保心電圖機改造后的功能未改變、性能未降低。

圖1 航空適應性改造整體工藝流程圖

3 關鍵技術方法研究

3.1 航空力學環(huán)境適應性改造方法

航空力學載荷環(huán)境主要包括振動、沖擊、加速度等，通過力學試驗摸底測試，發(fā)現了心電圖機結構強度的薄弱位置主要為電路系統(tǒng)，包括塑料螺紋破損、顯示屏破碎、接插件松動、大質量元器件斷裂及螺紋連接失效等問題。因此，針對以上問題，從隔振設計與加固設計兩方面開展航空力學適應性改造技術研究。

3.1.1 隔振設計 便攜類設備在機載條件下主要為包裝狀態(tài)和工作狀態(tài)，兩種狀態(tài)均不與飛機發(fā)生剛性固定連接。在包裝狀態(tài)下，可以設計專用的轉運箱，在內部采用吸振泡沫材料填充，并在泡沫之上制作與設備相適應的開孔，以固定設備(圖2A)，而且所采用的轉運箱及泡沫填充材料又必須具有阻燃性，并需開展阻燃性測試試驗。對于心電圖機內部結構，可在電路系統(tǒng)固定螺栓處增加彈性墊圈進行整體隔振，同時，由于部分電路(例如電源電路、采集模塊等)必須接地處理，需要對各固定螺釘進行鑒別并設計專用隔振墊片，保證其接地電阻值。

A：轉運箱隔振設計；B：電路加固設計。

3.1.2 加固設計 心電圖機的外殼和內部結構件均采用塑料材料，在振動、沖擊等極限載荷下容易發(fā)生破損導致斷裂破壞與連接失效，可采用金屬套管對螺紋連接處進行加固。對于大電容、鐵芯等大質量元器件，在沖擊載荷下極易發(fā)生管腳斷裂脫落，可設計固定支架對其加固(圖2B)。對于接插件、螺紋、小質量元器件則可以采用傳統(tǒng)的點膠方式進行加固與防松。

3.2 電磁環(huán)境適應性改造方法

電磁兼容改造的目的主要為抗干擾和屏蔽，目標要求較多，包括CE102/CE107、電源線音頻傳導敏感性、感應信號敏感性、射頻敏感性、射頻能量發(fā)射等項目。力學環(huán)境適應能力主要影響著設備自身與機載人員的安全，而電磁環(huán)境適應能力則對飛機平臺的飛行安全也有著重要影響，因此，電磁環(huán)境適應能力往往更為重要，改造難度也更大。通過摸底試驗分析，可以暴露出心電圖機的電磁兼容問題，有助于進行問題定位與改造。本研究主要對關鍵的電磁輻射檢測方法與抗干擾屏蔽方法進行介紹。

3.2.1 干擾源、傳播途徑與泄漏點篩查測試試驗方法 為了確定設備電磁輻射泄露位置及發(fā)射頻率等參數，需要對其開展干擾源、傳播途徑與泄漏點篩查分析(圖3)。試驗平臺主要由頻譜儀與手持式近場天線組成，利用手持式近場天線逐點掃描設備接縫、屏幕、按鍵、通風口等輻射發(fā)射窗口位置，同時利用頻譜儀捕捉近場天線采集到的輻射信號，確定其頻率與幅值，對比輻射發(fā)射試驗結果，確定輻射發(fā)射超標點與輻射泄露位置。

圖3 干擾源、傳播途徑與泄漏點篩查試驗

3.2.2 抗干擾能力測試試驗方法 為了測試醫(yī)療設備的抗干擾能力，本研究搭建了抗干擾試驗平臺對設備電源模塊進行測試(圖4)。通過可編程電源，在電源模塊輸入端疊加高頻干擾信號，利用示波器采集電源模塊輸出，從而獲得電源模塊的防浪涌等能力，并進行改進設計。由于CS106以及GJB 181中的電源浪涌試驗，會造成設備電源模塊器件損壞，進而引起其他部件組件損壞，可以單獨利用電源模塊帶模擬負載開展改造試驗測試，從而保證設備的安全。

圖4 抗干擾能力測試平臺原理圖

3.2.3 濾波與屏蔽能力改進方法 心電圖機采用220 V交流電源供電，主機內有電源轉換模塊，經摸底試驗發(fā)現，其傳導抑制能力差、傳導發(fā)射超標，外部干擾容易影響設備內部，無法滿足航空適應性要求(圖5)。

圖5A所示的傳導發(fā)射(CE102)試驗結果表明，設備在低頻段20 kHz和中頻段690 kHz處有所超差，且在高頻段8 MHz處出現極大值，這主要是由于設備中二次電源的AC/DC開關頻率造成，因此可通過定制二次電源模塊并進行電源濾波，增強其傳導抑制能力。同時，為了獲得更好的濾波效果，可在濾波器外增加屏蔽罩，并結合屏蔽線路與航空接插件來提高屏蔽效果。

圖5B所示的輻射發(fā)射(RE102)試驗結果表明，設備在低頻段有所超差，在8 MHz附近超差較為嚴重，主要來源為設備屏幕、電路模塊、按鍵等位置。在工程上，電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一，大部分電磁輻射問題都可以通過電磁屏蔽來解決，同時不會對醫(yī)療設備內部電路造成影響。因此，可通過在噴涂涂層設備機殼內部覆蓋一層金屬導電屏蔽材料實現殼體屏蔽。對于面板、背蓋及電壓接口處的諸多縫隙，則可采用電磁密封襯墊等方式進行處理，從而保證電磁屏蔽的完整性(圖6)。

圖6 噴涂工藝流程

3.3 液晶顯示屏改造方法

心電圖機的顯示屏為LCD液晶玻璃顯示屏，不僅易碎，也易造成電磁泄露。成為含屏幕類醫(yī)療設備改造的重點及難點。傳統(tǒng)的屏蔽玻璃通常由“2層玻璃夾+1層屏蔽絲網”組成(圖7)，但由于便攜式心電圖機尺寸緊湊，玻璃與顯示器之間空間小，傳統(tǒng)屏蔽玻璃無法安裝應用。因此，需要通過結構設計與制造工藝技術研究，減小屏蔽玻璃厚度，同時又能達到屏蔽要求。

圖7 屏蔽玻璃與屏幕剖面結構示意

通過測試試驗，可采用“1層玻璃+1層屏蔽絲網+屏幕”的方式(圖7)對顯示屏進行改進，將屏蔽玻璃與屏幕進行壓合處理，但由于制造難度較為復雜，還需對制造工藝過程進行設計優(yōu)化。圖8所示為該種特制屏蔽玻璃的制造工藝流程，需經過清洗、烘干、壓合、排氣泡、加壓固化等多個流程。由于該工藝過程不可逆，一旦進行壓合，屏幕與絲網粘結無法分離，而且加壓固化過程需要準確控制壓力、溫度、時間等參數，否則會造成屏蔽玻璃與屏幕損壞。最終，經裝配測試，以及力學、電磁兼容、高低溫、低氣壓等環(huán)境試驗測試，該屏蔽玻璃有效解決了心電圖機空間小、強度弱、屏蔽效果差等問題，滿足了各項航空環(huán)境適應性要求。

圖8 屏蔽玻璃/屏幕生產工藝流程

4 試驗驗證與應用

按照以上方法和流程，從材料、結構、電氣系統(tǒng)等各方面對心電圖機進行了改造，最終順利通過了振動、沖擊、電磁兼容、低氣壓等實驗室環(huán)境試驗，以及醫(yī)學鑒定試驗與飛行環(huán)境試驗的驗證。環(huán)境試驗前后檢驗結果對比可以看出(表2)，心電圖機在改造前后的功能性能未發(fā)生改變，保持了原有產品的技術指標。因此，經改造后，心電圖機可達到GJB 150A等軍用航空標準的要求，滿足了醫(yī)療救護飛機航空環(huán)境適應性要求。最終，本研究所形成的工藝流程與技術方法也成功在便攜式彩超診斷儀等相似類型產品中得到了應用推廣。

表2 環(huán)境試驗前后性能參數對比

5 結束語

本文以心電圖機為例，針對便攜類醫(yī)療設備的航空環(huán)境適應能力進行改造設計與工藝方法研究，經實驗室環(huán)境試驗、醫(yī)學鑒定試驗與飛行環(huán)境試驗的驗證，達到了航空環(huán)境適應性要求。因此，本研究可得到以下結論：①針對振動沖擊、高低溫、低氣壓、電磁兼容等航空環(huán)境要求，建立了便攜式心電圖機的航空適應性改造技術方法與工藝流程，可為其他同類型設備的改造提供借鑒指導；②通過參數對比與摸底篩選試驗，可以有效暴露出心電圖機航空環(huán)境適應能力的薄弱位置，有針對性地進行材料、機械結構和電氣系統(tǒng)的改造，提高了改造效能；③對于含有玻璃屏幕結構的便攜式醫(yī)療設備，可采用“1層玻璃+1層屏蔽絲+屏幕”的特殊玻璃屏幕壓合工藝技術，實現電磁屏蔽防護能力。