第九章 医用仪器干扰的抑制和安全用电

生物医学测量仪器中常用以下一些方法抑 制高频电磁干扰：
(1)当干扰幅度不大时，可用高频旁路电容 使干扰入地。旁路电容器的高频特性要好， 还要具有足够高的耐压性能，以使脉冲式干 扰入地。
(2)用高频滤波器抑制高频干扰。当调谐频 率等于高频干扰频率时，就可以起到抑制高 频干扰信号的作用。当然，也可以使用有源 器件作高频有源滤波电路，效果更好。
如果场源为小电流、高电压（即高频电源
），则场的主要分量为电场。远场的特性主 要取决于传播电磁波的介质，在空气中是同 时存在的交变的电场和磁场。为防止电磁波 的干扰，一般也根据前面所说的磁场和电场 的屏蔽原理，采用低电阻率的金属材料制成 罩壳加以屏蔽。
4.医用屏蔽室
在临床及科研中被检测的信号都是非常微弱的 ，如不对外界的电磁干扰进行屏蔽，将无法工作。 为此需建立一个良好的屏蔽室。屏蔽室所需要的屏 蔽效能视用途而异。一般将干扰衰减到100dB左右 的屏蔽效能就可以满足大多数情况的要求。若屏蔽 室用0.3mm厚的铜皮完全包起来，再设置一个高频 滤波器来滤除由50Hz电源引起的泄漏，则一般可以 获得100dB数量级的屏蔽效能。
1.磁场干扰
电流通过导线会产生磁场。有大电流流过的仪
器将会大量发射磁能，它的大小与导线线圈的匝数 、环线面积及流过的电流成正比。磁场内任何导电 环路都会接收到磁能。连接仪器和病人的引线就可 构成磁接收环，产生感应电动势。如在心电记录时 电极引线环路受磁场影响产生的感应电动势是一种 差动信号，将与心电信号一起被心电放大器放大， 形成对输出信号的干扰。要想抑制磁场对信号的干 扰，必须限制电极引线的环路面积。如可把所有的 电极引线在人体表面绞合起来，并使引线紧沿着人 体引出。抑制磁场干扰的另一个有效的办法是采用 磁性材料进行磁场屏蔽。
c.自屏蔽：自屏蔽是指仅在磁体周围安装 铁磁材料屏蔽体的屏蔽方法。用这种方法可以 得到非常理想的屏蔽效果。如果再在屋顶加装 定向屏蔽，则它有可能使主磁场完全限制在一 般建筑物的楼层高度之内。全身MRI系统磁体 的自屏蔽可以有板式、圆柱式、主柱式及圆顶 罩式等多种结构形式。各种结构的设计都应以 主磁场的均匀性不受影响或少受影响为目的。 自屏蔽的缺点是其屏蔽体重量往往多达数十吨 。但是，它对外界磁干扰的屏蔽既有效又方便 。
电场感应产生的干扰
可以利用静电平衡原
理来加以抑制。一个 金属导体处于外电场E0 中时，感应电荷产生 的 到内和E电0相场等Ei很的快量就值会，达而 方向是相反的。因此 ，导体内部的合电场Et 处处为零，这就是静
电平衡状态。如果外
电场发生变化，表面
电荷立即重新分布，
使导体内部合电场仍 保持处处为零。
磁体是磁共振成像系统的重要组成部分。无论 是超导磁体、还是永磁体或常导磁体，其作用都 是为MRI设备提供静磁场B0。但由于它的磁力线将 向空间各个方向散布，即形成所谓的杂散磁场， 有可能干扰周围环境中那些磁敏感性强的设备， 使其不能正常工作。另一方面，磁体周围环境的 变化也会影响磁场的均匀程度。由此可见，在磁 共振成像系统中，磁场与环境的相互影响是一个 不容忽视的问题。目前，广泛采用屏蔽的办法来 解决。
4. 仪器接地不正确引起的干扰
医用仪器为了消除干扰和使用安全，通常 都要接地。接地就是把仪器的外壳用导线与大 地连通。仪器的电路中有一个参考电位点，称 为电路的“地”电位点，如果这个参考电位点 不与大地连通，这点是“浮地”，如埋藏式心 电起搏器和测量心电用的心腔内接测量仪器一 般都采用浮地方式而并非有真正的接地点。只 有参考电位点与仪器原外壳连接并且连通大地 才是真正的接地，这时的参考电位为零电位。 当仪器接地点不正确时，就会产生干扰。
线电广播、电视发射台、通讯发射台、生物医学 研究方面应用的遥测装置等，使空中的电磁波大 量增加，日益复杂。这就给生物医学测量工作带 来了更多、更强烈的高频电磁干扰。常见的高频 电磁干扰有电台干扰，即某些无线电发射设备所 产生的干扰；工业干扰，即由各式各样的电气设 备启动、切断及工作时所辐射的高频干扰所产生 的。工业干扰信号的频谱很宽，从较低的频率延 伸到几十甚至几百兆赫的超高频段；天电干扰是 指大气中的各种电骚动所引起的干扰。雷电所产 生的强大电磁波辐射就是天电干扰的一种。
2.电场干扰
处在电场中的任何导电介质都会在电场作
用下感应出一定电位，若两点之间存在着电位 差时，就会产生电场干扰。电场干扰比磁场干 扰更大量地存在，即使电路中无电流流过，电 场干扰仍然存在。如把一台仪器的电源插头插 入50Hz的交流电源插座，虽然电源开关没有接 通，电路中没有电流流过，但如果电源开关安 装不当或电源布线不合理，就会成为交流电场 的干扰源。因此，不使用的电子仪器应把电源 插头拔下来。在临床工作中，甚至一些照明设 备也会对医用仪器的测量造成不良影响。
在临床应用中，一般对生物信号源的测量都
需要进行无损伤测量，因此常用表面电极来引出 生物电信号，如果不采取抑制干扰的措施，电场 干扰就会耦合到仪器中，因为电路中的电阻等不 可能绝对一致，使共模干扰信号之差以差模信号 的形式出现在放大器的输入端，在测量仪器的输 出中就会出现干扰信号。
综上所述，电场干扰是指空间电场通过感应和
在低频情况下，仪器
内部互相连接的各个 系统只能有一个接地 点，称为单点接地。 在系统中，相隔较远 的各部分的地线必须 汇集在一起，接在同 一个接地装置上，接 地线要尽量短，其电 阻率也应尽量小。在 低频情况下，浮地的 接地原则上也可以是 单点接地。
但在高频情况下，单点
接地是不宜采用的。 因为这种接地方式连 线太多，线与线之间 及电路各元件之间分 布电容增大，高频干 扰信号将通过电容耦 合而混人测量信号之 中。所以，在处理高 频信号时，不仅连线 的排列、元件的位置 布局要讲究，接地方 式也应采取多点接地
由于屏蔽室内有患者或实验动物及操作人
第九章 医用仪器干扰的抑制
和安全用电
在各种医用电子仪器的应用过程中 ，会遇到各种来自外部和内部的无用信 号，影响仪器测量结果，这种现象称为 干扰。为了获得准确的生物医学信息， 如何防止干扰的产生并有效地排除各种 不稳定的因素是十分重要的。本章主要 以生物电测量为基础，介绍经常遇到的 干扰以及抑制干扰的措施。同时，医用 仪器的用电安全与使用者和病人密切相 关。
生物电信号一般由生物医学电极与电极
引线引出。电极引线的作用就像一个接收天 线，同时还将高频电磁场干扰引进测量系统 中。如在外科手术时，在一个身边有心电监 护仪的病人身上使用电外科手术器械时，心 电监示器的荧光屏上就会出现干扰，轻者会 使心电记录的基线产生漂移或记录的波形不 稳定，严重时心电信号会完全移出荧光屏外 ，影响监护工作。此外，仪器的电源线也像 一个很长的天线，可引入各种高频电磁波成 分。由于高频电磁干扰是具有随机性的干扰 信号，它的能量遍布整个空间，因此它的影 响是不可忽视的。
本章主要内容
❖ 干扰与抑制 ❖ 屏蔽 ❖ 安全用电 ❖ 医用电器的安全检测
干扰与抑制
生物电信号一般都比较微弱且频率较低。 因此，测量生物信号的仪器既要灵敏度高， 又要有较强的抗干扰能力，才能保证信号不 受干扰地放大，以便测量和记录。按干扰的 耦合方式可分成磁场干扰、电场干扰、高频 电磁干扰、公共阻抗耦合和漏电流耦合的干 扰。
3.高频电磁场的屏蔽
当LC回路发生电磁振荡时，在它的周围空 间中激发起交变的磁场和电场，并以波的形式 向外传播，这就是电磁波。所以电磁波实质上 是交变的电场和磁场。当检测仪器处于较强的 电磁波辐射的环境中（如附近有电台、高频理 疗机等），仪器就会受到高频电磁场的干扰。 电磁场中，根据距电磁振源的距离大小将电磁 场分为近场和远场，其中近场的特性主要取决 于场源的阻抗。如果场源为大电流、低电压体 （即低阻抗源），则场的主要分量为磁场；
当使用远距离监护仪时，测量人体生理信
号的检测器或前置级常与主机相距几十米，它 们与地之间就可能存在着很高的电位差，这个 干扰电压若不加以排除很难测量真实信号，甚 至会破坏测量仪器。另外，每台医用电子仪器 的输入和输出的公共端大都连接到它们的机壳 上，机壳面积较大，极易受到外界电磁场的影 响。仪器公共端连接不正确还将使仪器内部的 干扰发生相互影响。可见，医用仪器的干扰在 很大程度上与仪器问的连接和接地有关，应合 理连接信号线、各种地线和电源线。
(1)磁场屏蔽
所谓磁场屏蔽（简称磁屏蔽）就是 用高饱和度的铁磁性材料来包容特定容 积内的磁力线。它不仅可防止外部铁磁 性物质对磁体内部磁场均匀性的影响， 同时又能大大削减磁屏蔽外部杂散磁场 的分布。应当指出的是，用软磁材料制 做的罩壳（称为屏蔽体）对磁场的屏蔽 效果远不如金属导体壳对静电的屏蔽效 果好。
利用这一原理，将金
属体内部挖空成一个 空腔，若把输入引线A 或仪器放在空腔内部 ，它们就不会受到外 电场的影响。这种现 象称为电场屏蔽，导 体壳称为屏蔽罩。实 际上，屏蔽罩并不用 整块金属挖空制造， 而是用金属板或金属 线网组成。
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2. 磁场屏蔽
为了对磁场屏蔽有更直观的了解，这部分以 影像设备中的磁共振成像系统为例，讨论它们磁 屏蔽的作用。
a.房屋屏蔽：即在磁体室的四周墙 壁、地基和天花板等六面均镶入4～8mm 厚的钢板，构成封闭的磁屏蔽间。这种 屏蔽体的用材常达数十吨甚至上百吨， 价格昂贵。
b.定向屏蔽：如果杂散磁场的分布仅 在某个方向超出了规定的限度，则可只 在对应方向的墙壁中安装屏蔽物，形成 杂散磁场的定向屏蔽。这种方法特别适 用于MRI室和CT室共用一建筑物的情形。
5.仪器间连接不正确引起的干扰
仪器的连接都会造成上述地线干扰。如当同时 监护病人的心电、脉搏、血压等信号时，所用各台 仪器均由220V、50Hz市电供电，而每台仪器的底板 都通过三芯插头的地线接地，仪器的接地端又需连 接在一地，于是就可能构成接地回路，引进干扰。 这种情况下正确的接地方法，应该只留一台仪器的 电源插头接地，拔去其它仪器上的地线插头，即切 断地电流流通的回路，才能消除干扰。
(3)对电源线引入的高频干扰，可在电源变压器 的初级侧加低通滤波器或旁路电容器，使高频 干扰入地。为使抑制干扰的效果更好，在整流 电路及直流输出端也要接高频旁路电容。
(4)采用电磁屏蔽措施。当检测微小的生理信号 时，对外来的电磁波干扰或电磁辐射一般采用 电磁屏蔽措施。用钢或铝的良导体将需要屏蔽 的电路或仪器和被测体在内的每一个测量设备 都严密地包围起来，并要将屏蔽罩可靠接地。 电磁屏蔽与干扰信号频率的关系很大，干扰信 号的频率越高，对屏蔽的严密性要求也就越高 。
分布参数经过一定的途径进入信号源或测量仪器 中形成的干扰，其中50Hz市电经分布电容耦合而 形成的干扰最为严重和常见。为了抑制电场的干 扰，可以在仪器中采用高共模抑制比的放大器； 将电源线和测量电极的导线屏蔽；设置屏蔽室， 把被测者屏蔽等方法。
3.高频电磁场干扰
目前无线电的应用日趋广泛，各种频段的无
屏蔽
抗干扰技术有很多种方式， 如屏蔽、接地、合理利用相关 电路等。其中屏蔽和接地是抑 制电磁场干扰的有效办法。
1. 电场屏蔽
如果将一个带电荷的物体靠近另一个不 带电荷的物体，不带电荷的物体靠近带电荷 物体的一端会出现相反的电荷，这就是静电 感应现象。在一个放大器的输入端引线A的附 近，如果有一根带着交变电势的导线B，那么 ，这个交变电势将使引线A感应起一个变动的 电势。这个变动的电势与被测信号混合一起 进入放大器，将影响被测信号的真实性。
(2)磁屏蔽的分类
从广义上来说，MRI系统的磁屏蔽可分为有源 和无源两种。有源屏蔽是指由一个线圈或线圈系 统组成的磁屏蔽。仪器磁体的线圈中通以正向电 流，以产生所需的工作磁场。屏蔽线圈中则通以 反向电流，以产生反向的磁场来抵消工作磁场的 杂散磁场，从而达到屏蔽的目的。如果线圈排列 合理或电流控制准确，屏蔽线圈所产生的磁场就 有可能抵消杂散磁场。无源屏蔽使用铁磁性屏蔽 体，即上面所说的软磁材料罩壳，因不使用电流 源而得名。根据屏蔽范围的不同，无源磁屏蔽可 分为下述三种：