Emc در طراحی و انتخاب تجهیزات پزشکی

[spow 44197]

شاید برای شما هم اتفاق افتاده باشد که در هنگام استفاده از یک وسیله الکترونیکی یا پزشکی،‏ تلفن همراهتان زنگ زده و وسیله ایی که با آن کار می کرده اید، موقتاً از کار افتاده یا دچار اختلال شده است. البته این موضوع تا حدی پذیرفته شده است، اما تا چه حد؟ مرز آن را استانداردهای بین المللی به طور دقیق مشخص کرده اند. اختلال عملکرد دستگاه در مجاورت تلفن همراه، مثال ساده ای از عدم دقت به ‏EMC‏ یا سازگاری الکترومغناطیسی در طراحی و انتخاب تجهیزات پزشکی است. ‏

خواه در جایگاه مهندس پزشک یا پزشک در حیطه انتخاب تجهیزات پزشکی، خواه در جایگاه مهندس پزشک یا مهندس الکترونیک در حیطه طراحی تجهیزات پزشکی، ناگزیریم با استانداردهای مرتبط با ‏EMC‏ آشنا شویم. در این مقاله به اجمال موارد مرتبط با ‏EMC‏ به ویژه از دید طراحی بحث و بررسی می‌شود.

به طور کلی یکی از مشکلاتی که وسایل و دستگاه های پزشکی با آن مواجه هستند، مساله نویز است. ‏

به خصوص در سیستم های فعلی که انواع وسایل الکترونیکی، الکتریکی و مکانیکی در فضای کوچکی در کنارهم کار می کنند، به راحتی بر روی یکدیگر تاثیر می گذارند. بنابراین مسأله نویز باید حتما در طراحی، ساخت، مونتاژ و حتی در نصب و سرویس دستگاه ها مورد توجه قرار گیرد. با توجه به این که اختلال در عملکرد دستگاه های پزشکی موجب به خطرافتادن جان بیمار می شود و ریسک بالاتری دارد.‏

بنابراین سازگاری تجهیزات پزشکی در میدان های الکتریکی و مغناطیسی از اهمیت بیشتری برخوردار است. ‏

یکی از ملزومات مهم اخذ نشان اتحادیه اروپا (‏CE‏ ) و فروش دستگاه در اروپا، تطابق محصول با استانداردهای ‏EMC‏ است. دقت نظر کاربران به موضوع ‏EMC‏ سبب می شود طراحان و تولیدکنندگان داخلی نیز با صرف هزینه، به بهینه سازی و تطابق الکترومغناطیسی تجهیزات خود با استانداردهای ‏EMC‏ بپردازند و به این طریق سطح کیفی محصولات خود را به طور چشم گیر و قابل ملاحظه ای جهت استفاده کاربران افزایش دهند. استانداردهای ‏EMC‏ باید به عنوان بخشی از اهداف هر شرکت سازنده تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی جهت رسیدن به موفقیت‌های بزرگ اقتصادی، مورد توجه قرار گیرد.

EMC‏ چیست؟

 

EMC‏ (‏ElectroMagnetic Compatibility‏) در لغت به معنای تطابق الکترومغناطیسی است. تطابق الکترومغناطیسی در مورد یک دستگاه دو وجه دارد: 1- دستگاه نباید سطحی از اختلالات الکترومغناطیسی از خود ساطع کند که بر سرویس‌های رادیویی و سایر دستگاه‌ها تأثیر بگذارد.‏

‏2- این دستگاه باید در برابر اختلالات الکترومغناطیسی محیط، ایمنی کافی داشته باشد تا تاثیر نامطلوب نپذیرد. بنابراین باید تمامی ‌تجهیزات الکترونیکی تحت تست های ‏EMC‏ قرار گیرند تا در صورت وجود مشکلات احتمالی، به رفع آنها پرداخت. ‏تست‌های ‏EMC‏ به دو بخش کلی تقسیم می شود: ایمنی و تابش. برای هر سیستم، استاندارد خاصی جهت تست‌های ‏EMC‏ وجود دارد که باید با توجه به آن، مشخصات تست را تعیین کرد. ‏

تستهای ‏EMC‏ جهت تجهیزات پزشکی

 

استاندارد خاص ‏IEC 60601-1-2‎‏ ، مرجع تست‌های ‏EMC‏ جهت اعمال بر روی تجهیزات پزشکی است. با مراجعه به سایر استانداردهای ذکر شده در ‏IEC 60601-1-2‎‏ ، می‌توان سطوح تست را دقیقاً مشخص کرده، میزان مطابقت الکترومغناطیسی تجهیزات پزشکی را تعیین کرد.‏

‏ مطابق با این استاندارد برای دستگاه‌ها و سیستم‌های پزشکی درکل یازده تست باید انجام شود که تعدادی مربوط به سنجش تابش و تعدادی مربوط به سنجش ایمنی دستگاه است. انجام هر تست روش خاصی دارد که در قالب یک استاندارد تدوین شده است. ‏

EMC‏ از دید طراحی

 

لازم است در طراحی دستگاه ها نکات زیادی مورد توجه قرار گیرد تا دستگاه در حین تست دچار مشکل نشود. در صورتی که در فاز اولیه طراحی (انتخاب و طراحی مدارات الکترونیکی) به مسأله ‏EMC‏ توجه شود ، با هزینه کمتری می‌توان به سطوح قابل اطمینان در تست‌ها دست پیدا کرد.

در فاز طراحی توجه به مسائل زیر بسیار مهم است:

1) طراحی مدار و انتخاب قطعات دیجیتال و آنالوگ

2) کابل‏ ها و کانکتورها‏

3) *****ها

4) شیلد

5) طراحی PCB

که در ادامه شرح مختصری از موارد فوق آورده شده است:

1) طراحی مدار و انتخاب قطعات

 

انتخاب صحیح قطعات اعم از ‏Passive‏ و ‏Active‏ و به کار بردن روش‌های طراحی اصولی از همان ابتدای طراحی، موجب دستیابی سریع تر و راحت تر به استانداردهای ‏EMC‏ می شود و طراح را از به کارگیری ***** یا شیلد بی نیاز می‌سازد. در نهایت قیمت، اندازه و وزن دستگاه یا ماژول مورد نظر را کاهش می‌دهد.‏

همچنین این روش باعث بهتر شدن سیگنال‌های دیجیتال و بالا رفتن نسبت سیگنال به نویز در سیگنال‌های آنالوگ می‌شود، لذا محصول مورد نظر سریع تر به مشخصه‌های کاربردی خود دست می یابد. ‏

بسیاری از سازندگان ‏IC‏‌های دیجیتال حداقل یک سری ‏IC‏ با تابش حداقل و یک مدل از تراشه‌های ورودی- خروجی (‏I/O‏) با سطح ایمنی تأیید شده در تست تخلیه الکترواستاتیکی (‏ESD‏) دارند. برخی از آنها مدل‌هایی از ‏VLSI‏ را ارائه کرده اند که مطابق با استانداردهای ‏EMC‏ هستند. (‏EMC Friendly‏) ‏

انتخاب قطعات آنالوگ به علت تنوع زیاد شکل موج‌های خروجی به راحتی انتخاب قطعات دیجیتال نیست. به عنوان یک قانون کلی برای کاهش تابش در مدارات فرکانس بالا باید ‏Slew Rate‏ ، ولتاژهای نوسان و قابلیت جریان درایو خروجی برروی کمترین مقداری که برای رسیدن به عملکرد مورد نظر لازم است، تنظیم شوند.

‏‏2) کابل‌ها و کانکتورها

 

به عنوان مقدمه باید گفت که تمامی‌ هادی‌ها مثل یک آنتن عمل می‌کنند و الکتریسته جاری را به میدان الکترومغناطیسی تبدیل می‌کنند که می‌تواند به محیط‌های وسیع تر نشت کند. از طرف دیگر همه هادی ها میدان‌های الکترومغناطیسی محلی را که در آن واقع شده اند، به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند و هیچ استثنایی برای این قانون در جهان وجود ندارد. بنابراین هادی ها هم در معرض تابش بوده و هم خود تابش دارند.‏

بررسی‌ها نشان می‌دهد که استفاده از کابل در فرکانس‌های بالا، مشکلات را زیادتر می‌کند و نمی‌توان انتظار داشت که سیگنال‌ها را به درستی انتقال داده، از محیط بیرون تأثیر نپذیرند. حتی برای سیگنال‌های فرکانس پایین مانند فرکانس‌های صوتی، کابل‌ها مشکلات زیادی ایجاد می‌کنند. بنابراین بهترین راه برای انتقال اطلاعات و سیگنال‌ها جهت مطابقت با استانداردهای ‏EMC‏ ، استفاده از ارتباطات غیر فلزی است. از ارتباطات غیرفلزی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد می توان به فیبر نوری ترجیحاً بدون فلز (‏metal-free‏)، سیستم های بدون سیم (‏wireless‏)، مادون قرمز (‏IRDA‏) و لینک لیزری و مایکرویو در فضای آزاد (مثلاً بین ساختمان ها) اشاره کرد. ‏

بسیاری از طراحان فکر می‌کنند که با استفاده از سیم‌ها و کابل‌های قدیمی ‌می‌توان قیمت یک محصول را پایین نگه داشت، اما اگر مجموع هزینه‌های تمام شده یک محصول را با لحاظ کردن میزان قابلیت اطمینان و میزان تطابق با استانداردهای ‏EMC‏ محاسبه کنیم، متوجه می‌شویم که ارتباطات غیر فلزی هزنیه کمتری دربرخواهند داشت. ‏

‏3) *****ها

 

قبل از بررسی نقش *****ها، لازم است به طور مختصر به تعریف واژه سرژ (‏Surge‏) بپردازیم. سرژ در لغت به معنای صاعقه است. سرژ سیگنالی با مشخصات زیر است و در تست ‏EMC، این سیگنال شبیه سازی و به دستگاه اعمال می شود. سطح ولتاژ اعمالی به دستگاه به محیطی که در آن نصب می‌شود، بستگی دارد که جداول مربوطه در استاندارد ‏IEC 61000-4-5‎‏ آمده است. برای جلوگیری از بروز مشکل در تست سرژ از *****ها و ‏SPDها استفاده می‌کنیم. (‏‎(SPD: Surge Protection Device‏

‏*****ها برای تضعیف فرکانس‌های ناخواسته به کار می‌روند و مشخصه آنها به وسیله منحنی‌هایی بر حسب فرکانس مشخص می شوند، بنابراین منحنی مشخصه هر ***** قدرت تضعیف آن را در فرکانس‌های مختلف نشان می‌دهد. ‏

تجهیزات محافظ در برابر سرژ (‏SPD‏) ، ولتاژهای سرژ ناخواسته را که از یک ‌هادی می‌گذرند، تضعیف می کند و به وسیله گراف هایی مشخص می‌شود که ولتاژهای قابل عبور را در زمان‌های مختلف نشان می‌دهند. ‏

در صورتی که *****ها یا ‏SPD‏‌ها به صورت صحیح استفاده نشوند، سطح تابش و ایمنی آنها بدتر از حالت بدون ***** یا ‏SPD‏ خواهد شد. لزوماً *****ها یا ‏SPD‏‌های گران قیمت، بهترین‌ گزینه نیستند. برای انتخاب یک ***** یا ‏SPD‏ با توجه به کاتالوگ شرکت‌های سازنده، باید به توان نامی ‌آنها، تعداد مدارات و کاربرد مورد نظر دقت کرد.

صاعقه گیرها (‏Surge arrestor‏) در واقع قطعاتی با مقاومت متغیر هستند که مقاومت آنها تابعی از ولتاژ اعمال شده به آنها است که به گونه ای طراحی می‌شوند که اثر حفاظت کننده و نگهدارنده داشته باشند و زمانی که ولتاژ گذرنده از آنها از سطح بحرانی گذشت، مانند یک دیود زنر عمل می‌کنند.‏

به اشتباه تصور می‌شود که سرژ باعث خرابی اطلاعات آنالوگ یا دیجیتال نمی‌شود، چرا که دارای بیت خطا هستند. در دستگاه‌های ساده ای که حافظه یا برنامه نداریم، ممکن است یک خطای لحظه ای کوچک (بسته به عملکرد دستگاه) قابل قبول باشد، اما در دستگاه های پیچیده که سیگنال‌های کنترلی دارند، یک سیگنال لحظه ای غلط می‌تواند دیتای ذخیره شده یا مد کاری را تغییر دهد که غیرقابل قبول است. در این گونه موارد از ‏SPDها جهت محافظت در برابر جرقه و ولتاژهای سرژ استفاده می‌شود.‏

‏4) شیلد

 

شیلد در واقع در مسیر انتشار امواج الکترومغناطیسی، ناپیوستگی امپدانسی قرار می‌دهد، سپس امواج را منعکس کرده یا آنها را جذب می‌کند. به نظر می‌رسد این عمل بسیار شبیه به کاری است که *****ها انجام می‌دهند، آنها نیز یک ناپیوستگی امپدانسی در مسیر سیگنال‌های ناخواسته قرار می‌دهند.

انواع مختلف شیلد، قیمت خاص خود را دارد. مثلاً قیمت شیلدکردن یک ‏IC‏ با قیمت شیلد کردن بخشی از ‏PCB‏ یا تمام آن و یا با قیمت شیلد کردن اتاق یا ساختمان بسیار متفاوت است که از لحاظ اقتصادی بسیار مهم است.‏

‏5) طراحی ‏PCB

روش‌های طراحی در ‏PCB‏ ، قیمت را به طور مؤثری کاهش داده، نتایج تست ‏EMC‏ را بهتر می‌کند. روش‌های طراحی ‏PCB‏ از دید ‏EMC‏ ، مکانیزم پخش منابع ‏RF‏ در یک ‏PCB‏ را اصلاح می‌کنند و به طور یکسان بر تمام مدارات آنالوگ و دیجیتال اعمال شده، سطوح تابش و ایمنی را بهبود می‌بخشند.

تا زمانی که جای ***** و شیلد مشخص نشده است، نباید آرایش ‏PCB‏ را شروع کرد، بنابراین باید به مسأله جاگذاری قطعات و ساختار مکانیکی در طول توسعه سیستم نیز از همان ابتدا توجه کرد.‏

به منظور طراحی ‏PCB‏ ، ابتدا باید قطعات نویزی یا حساس به گونه ای در هر بخش قرارداده شوند که به مرکز بخش نزدیک تر بوده، تا حد امکان از کابل‌ها و سیم‌ها دور باشند. قطعات به ترتیب حساسیت عبارتند از:

توزیع کننده‌ها و مبدل‌های کلاک، ‏IC‏‌های دیجیتال میکروکنترلر، ترانزیستورهای توان، سوییچ مد و یکسوکننده‌ها و چوک‌های آنها، ترانسفورماتورها و هیت سینک‌ها، ‏IC‏‌های آنالوگ و تقویت کننده ولتاژهای در سطح میلی ولت

نکته مهم و قابل توجه این است که اگر در ابتدای طراحی به مسائل ‏EMC‏ دقت کنیم، هزینه شیلد بسیار کم می‌شود، اما اگر در لحظه آخر و زمانی که قرار است دستگاه تست ‏EMC‏ شده، به مشتری تحویل داده شود، بخواهیم آن را شیلد کنیم، مسلماً قیمت آن افزایش می یابد.‏