【摘要】本文闡述了醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容測(cè)試、電磁屏蔽技術(shù)、屏蔽材料以及電磁兼容測(cè)試中電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用，選取發(fā)射試驗(yàn)無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)的保護(hù)（輻射騷擾）和抗擾度試驗(yàn)靜電放電（ESD）進(jìn)行案例分析，利用電磁屏蔽技術(shù)討論整改措施，為醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容整改提供新的思路。

【關(guān)鍵詞】電磁屏蔽；醫(yī)用電氣設(shè)備；電磁兼容；整改；屏蔽材料

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.05.047

Application of Electromagnetic Shielding Technology in the Rectification of Electromagnetic Compatibility of Medical Electrical Equipment

LIU Peng1， WANG Hongyang1， CHEN Rui2

（1.Liaoning Medical Device Test Institute， Shenyang 110171， China； 2.China Taier System Laboratory， Beijing 100000， China）

Abstract： This article elaborates on the electromagnetic compatibility testing， electromagnetic shielding technology， shielding materials， and the application of electromagnetic shielding technology in electromagnetic compatibility testing of medical electrical equipment. It selects the protection （radiation disturbance） and immunity test electrostatic discharge （ESD） of radio services in emission testing for case analysis， and uses electromagnetic shielding technology to discuss rectification measures， providing new ideas for the electromagnetic compatibility rectification of medical electrical equipment.

Keywords： electromagnetic shielding； medical electrical equipment； electromagnetic compatibility； rectification； shielding materials

0引言

近年來(lái)，隨著電子信息和電氣技術(shù)的迅速發(fā)展，醫(yī)療機(jī)構(gòu)中廣泛應(yīng)用了多種電子電氣設(shè)備，包括有源醫(yī)療器械。這導(dǎo)致了電磁兼容問(wèn)題的復(fù)雜性日益增加。在共同的電磁環(huán)境中，電子電氣設(shè)備之間可能相互產(chǎn)生電磁干擾?？紤]到醫(yī)用電氣設(shè)備的特殊性，其電磁兼容性問(wèn)題需要特別關(guān)注。自我國(guó)實(shí)施強(qiáng)制電磁兼容檢測(cè)政策以來(lái)，設(shè)備制造商對(duì)電磁兼容測(cè)試投入了極大的關(guān)注。在醫(yī)用電氣設(shè)備的早期研發(fā)和最終檢測(cè)階段，電磁屏蔽技術(shù)被廣泛采用。本文將重點(diǎn)討論如何應(yīng)用電磁屏蔽技術(shù)來(lái)增強(qiáng)醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容性能，并提升設(shè)備檢測(cè)的一次通過(guò)率。為了全面理解電磁屏蔽技術(shù)，本文將逐一討論電磁兼容測(cè)試、電磁屏蔽、屏蔽材料、屏蔽措施以及屏蔽技術(shù)。

1醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容測(cè)試概述

根據(jù)YY 9706.102—2021《醫(yī)用電氣設(shè)備第1-2部分：基本安全和基本性能的通用要求并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)解讀》分為兩大類(lèi)：發(fā)射試驗(yàn)（EMI）和抗擾度試驗(yàn)（EMS），共有11個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目。其中，輻射發(fā)射、傳導(dǎo)發(fā)射、電快速瞬變脈沖群和靜電放電這四個(gè)試驗(yàn)最容易出現(xiàn)不合格情況，整改率較高。電磁兼容測(cè)試對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地有較高要求，其中輻射發(fā)射和射頻電磁場(chǎng)輻射騷擾抗擾度要求在電波暗室內(nèi)進(jìn)行，傳導(dǎo)發(fā)射可以在電磁屏蔽室或者電波暗室內(nèi)進(jìn)行，其他試驗(yàn)項(xiàng)目可在普通實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。受試驗(yàn)場(chǎng)地限制，若被測(cè)醫(yī)用電氣設(shè)備在測(cè)試中未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)而需要進(jìn)行整改，這將不可避免地延長(zhǎng)測(cè)試周期，并增加企業(yè)的測(cè)試成本，進(jìn)而影響醫(yī)用電氣設(shè)備正常的評(píng)審與注冊(cè)流程。

2電磁屏蔽

2.1電磁屏蔽的作用

有源醫(yī)用電氣設(shè)備在待機(jī)或者工作時(shí)會(huì)向外輻射電磁波，對(duì)周?chē)膸щ娫O(shè)備（包括醫(yī)用電氣設(shè)備）產(chǎn)生電磁干擾，醫(yī)院經(jīng)常發(fā)生多個(gè)醫(yī)用電氣設(shè)備在同一空間同時(shí)工作的情況。這些同時(shí)工作的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的電磁干擾，如高頻電刀在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，對(duì)手術(shù)室內(nèi)其他設(shè)備的正常工作造成影響，尤其是監(jiān)護(hù)設(shè)備。

電磁能量傳輸?shù)膬煞N方式為輻射性耦合和傳導(dǎo)性耦合，可分別采用電磁屏蔽和濾波方式進(jìn)行抑制。電磁屏蔽是利用導(dǎo)電或者導(dǎo)磁材料做成屏蔽體，對(duì)經(jīng)過(guò)的電磁波進(jìn)行反射、吸收以及通路分流疏導(dǎo)[1]，電磁屏蔽能夠有效抑制或削弱電磁輻射能量的傳播。在實(shí)際應(yīng)用中，可以對(duì)輻射頻率進(jìn)行計(jì)算分析，找到輻射源以及選擇相應(yīng)材料制成屏蔽體，最后加工出屏蔽體。

2.2醫(yī)用電氣設(shè)備電磁屏蔽分類(lèi)

根據(jù)電磁屏蔽原理分為：電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽、電磁屏蔽。

2.2.1醫(yī)用電氣設(shè)備電場(chǎng)屏蔽

電場(chǎng)屏蔽主要是為了防止電子元器件或設(shè)備間的電容耦合[2]，可分為靜電屏蔽和交變電場(chǎng)屏蔽，其中靜電屏蔽利用范圍相對(duì)較廣。醫(yī)用電氣設(shè)備通常采用金屬屏蔽體的方式，且屏蔽體接地，完成靜電屏蔽。靜電屏蔽的兩個(gè)條件：1）金屬屏蔽體；2）接地。

2.2.2醫(yī)用電氣設(shè)備磁場(chǎng)屏蔽

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電流，變化的電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。因此，變化的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，某些對(duì)磁場(chǎng)敏感的醫(yī)用電氣設(shè)備就會(huì)被干擾，如影像診斷類(lèi)設(shè)備受到磁場(chǎng)干擾導(dǎo)致圖像失真。磁場(chǎng)屏蔽是將磁力線(xiàn)封閉在屏蔽體內(nèi)，抑制磁場(chǎng)穿過(guò)屏蔽體，為磁場(chǎng)提供低磁阻通路來(lái)分流磁場(chǎng)[2]，磁場(chǎng)屏蔽可有效抑制磁場(chǎng)耦合干擾。

2.2.3醫(yī)用電氣設(shè)備電磁屏蔽

電磁屏蔽是利用屏蔽體對(duì)電磁場(chǎng)傳播進(jìn)行有效抑制或者削弱的方法。反射衰減是指電磁波到達(dá)屏蔽體表面時(shí)發(fā)生反射的現(xiàn)象，吸收衰減是指電磁波進(jìn)入屏蔽體時(shí)產(chǎn)生衰減的現(xiàn)象。

屏蔽層的特性阻抗決定反射衰減效果，應(yīng)根據(jù)電磁騷擾頻率選擇屏蔽層的材料，為了達(dá)到理想的反射衰減效果，特性阻抗應(yīng)與空氣阻抗相差盡可能大[3]。吸收衰減的衰減效果由屏蔽層厚度和電磁波頻率決定，電磁波在空氣和屏蔽體內(nèi)發(fā)生多次反射就會(huì)形成感應(yīng)渦流，導(dǎo)致能量被削弱。

3屏蔽材料

3.1屏蔽材料的作用

屏蔽材料的作用是抑制電磁干擾，隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，屏蔽材料的屏蔽效能顯著提高。

3.2屏蔽材料分類(lèi)

電磁屏蔽材料按組成分為3類(lèi)：金屬屏蔽材料、表面導(dǎo)電型屏蔽材料、填充復(fù)合型屏蔽材料[4]。

3.2.1金屬屏蔽材料

金屬屏蔽材料具有良好導(dǎo)電率和磁導(dǎo)率，其優(yōu)點(diǎn)是易獲取、屏蔽效果好，缺點(diǎn)是金屬成本高、屏蔽波段固定及易腐蝕等。

3.2.2表層導(dǎo)電型屏蔽材料

表層導(dǎo)電型屏蔽材料是在設(shè)備表面貼金屬箔或噴導(dǎo)電金屬漆，該方法具有效果明顯、易操作、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是可重復(fù)性差、耐久性差。常用的金屬漆有碳漆、銅漆等。碳漆抗腐蝕性強(qiáng)、價(jià)格低、便于獲取，被廣泛應(yīng)用。

3.2.3填充復(fù)合型屏蔽材料

填充型復(fù)合屏蔽材料是將絕緣橡膠材料、導(dǎo)電材料和其他助劑混合注塑而制成[5]。常用的有導(dǎo)電橡膠，與傳統(tǒng)屏蔽材料相比，其具有成型快速、延展性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。作為一種新型材料，填充型復(fù)合屏蔽材料已經(jīng)被各生產(chǎn)廠商所重視。

4電磁屏蔽技術(shù)應(yīng)用舉例

電磁屏蔽技術(shù)在電磁兼容測(cè)試中至關(guān)重要，屏蔽材料的科學(xué)選擇以及屏蔽體的合理設(shè)計(jì)能解決很多電磁兼容問(wèn)題，生產(chǎn)企業(yè)在醫(yī)用電氣設(shè)備研發(fā)階段往往忽視電磁屏蔽技術(shù)的運(yùn)用，導(dǎo)致電磁兼容送檢一次性通過(guò)率非常低，測(cè)試過(guò)程中整改會(huì)造成產(chǎn)品的注冊(cè)周期延長(zhǎng)。對(duì)于整改項(xiàng)，制造商要根據(jù)其原因提出整改方案，本文針對(duì)實(shí)際測(cè)試中最容易出問(wèn)題的兩個(gè)試驗(yàn)展開(kāi)討論，即無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)的保護(hù)（輻射騷擾）和靜電放電（ESD）。

輻射發(fā)射試驗(yàn)可以測(cè)試醫(yī)用電氣設(shè)備對(duì)外輻射是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)方法以及選取測(cè)試限值要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 4824—2019《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備射頻騷擾特性限值和測(cè)量方法》[6]。

測(cè)試結(jié)果超出限值時(shí)，可以從加強(qiáng)電磁屏蔽的角度進(jìn)行整改，如果醫(yī)用電氣設(shè)備是金屬外殼，可采用導(dǎo)電橡膠充分填充被測(cè)設(shè)備殼體縫隙，達(dá)到密閉縫隙的效果，并且加固金屬外殼接地，最大限度地降低設(shè)備對(duì)外輻射；如果醫(yī)用電氣設(shè)備是非金屬外殼，可以在殼體內(nèi)側(cè)貼金屬箔或者噴導(dǎo)電金屬漆，以達(dá)到屏蔽目的。

使用導(dǎo)電橡膠、金屬箔或者導(dǎo)電漆進(jìn)行屏蔽時(shí)，要注意醫(yī)用電氣設(shè)備外殼拼接處的縫隙，這個(gè)縫隙會(huì)成為電磁波對(duì)外輻射的“天線(xiàn)”，導(dǎo)致輻射發(fā)射試驗(yàn)不合格；在進(jìn)行屏蔽時(shí)要保證不同材料表面有良好的接觸，并保持一定的壓縮量[7]。

依據(jù)靜電放電標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.2—2018《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn)》[8]，靜電放電抗擾度試驗(yàn)分為直接放電和間接放電，間接放電包括水平耦合板和垂直耦合板，直接放電包括接觸放電和空氣放電。靜電放電試驗(yàn)對(duì)被測(cè)醫(yī)用電氣設(shè)備內(nèi)部電路的直接沖擊較大，靜電放電試驗(yàn)的一次性通過(guò)率不高，尤其帶有觸控屏的設(shè)備，對(duì)該試驗(yàn)極為敏感，容易出現(xiàn)花屏、死機(jī)等不合格情況。

接觸放電的放電點(diǎn)在醫(yī)用電氣設(shè)備的金屬部件，作用電壓為±2 kV、±4 kV、±6 kV，空氣放電的放電點(diǎn)在醫(yī)用電氣設(shè)備的非金屬部件，作用電壓為±2 kV、±4 kV、±8 kV。靜電放電具有能量高、寬頻廣的電磁騷擾特性[7]，干擾途徑有兩種：瞬態(tài)大電流直接放電、空間耦合間接放電。由于靜電放電具有上升沿時(shí)間短、能量高、頻譜廣等特點(diǎn)，靜電泄放路徑中的長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)容易形成耦合磁場(chǎng)，影響設(shè)備正常工作。

靜電放電的能量形式以共模為主，干擾最終會(huì)以電流形式流向大地，因此整改時(shí)可以考慮縮短泄放路徑，即盡量減小靜電接觸點(diǎn)與接地點(diǎn)的距離，還可以對(duì)敏感元器件加強(qiáng)電磁屏蔽防護(hù)，隔絕靜電干擾。靜電干擾具有瞬時(shí)寬頻屬性，靜電泄放路徑如果環(huán)繞敏感電路會(huì)對(duì)此電路造成靜電干擾，可以采用屏蔽罩與接地方式降低靜電干擾?？紤]到電路散熱問(wèn)題，設(shè)計(jì)電磁屏蔽罩包裹電子器件或內(nèi)部電路時(shí)，屏蔽罩不能完全封閉，開(kāi)孔盡量小以保證屏蔽效果，屏蔽罩的接地路徑要短以保證靜電干擾快速泄放。此外，還應(yīng)注意屏蔽罩的延展性。

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，從醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容測(cè)試、電磁屏蔽技術(shù)、屏蔽材料以及電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用這幾個(gè)方面綜合探討電磁屏蔽，討論了屏蔽材料的選取以及屏蔽罩的應(yīng)用，本文論述的屏蔽方法具有普遍適用性，但是在實(shí)際應(yīng)用中，屏蔽罩還要考慮散熱口、進(jìn)線(xiàn)口等問(wèn)題，今后可以對(duì)屏蔽罩開(kāi)口等問(wèn)題繼續(xù)深入研究。

電磁屏蔽技術(shù)在電磁兼容測(cè)試中應(yīng)用十分普遍，醫(yī)療器械電磁兼容測(cè)試的11個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目都可以用到電磁屏蔽技術(shù)。本文以實(shí)際測(cè)試中最容易出問(wèn)題的無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)的保護(hù)（輻射騷擾）和靜電放電（ESD）為例對(duì)電磁屏蔽技術(shù)如何應(yīng)用展開(kāi)討論，輻射騷擾屬于發(fā)射試驗(yàn)、靜電放電屬于抗擾度試驗(yàn)，具有典型性和代表性，為醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容整改提供新的思路。

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【作者簡(jiǎn)介】

劉鵬，男，1985年出生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛性瘁t(yī)療器械檢驗(yàn)。

（編輯：侯睿琪）