医用电气设备电磁兼容概论

医用电气设备电磁兼容概论

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本课程主要内容

什么是电磁兼容性？国外电磁兼容标准发展情况如何？ YY0505-2005 医用电气设备的电磁兼容要

求和试验标准的解读。产品的电磁兼容性测试需要哪些环境条件

和测量设备？

基本掌握：电磁干扰给人类带来的危害

重点：电磁兼容的基本含义难点：基本术语的理解

第一章绪论

电磁兼容简称 EMC(ElectroMagnetic Compatibility) ，是当今国际上被普遍关注的问题。

1.1 电磁兼容概述

EMC 技术是以电磁场理论为依据，以近代统计学和计算机为手段，以试验为基础，涉及到众多技术领域的一门综合性系统工程。

EMC 技术

EMC 预测分析

EMC 设计

EMC 测试

EMC 管理

它涉及到电波传播、电磁耦合、信号处理、滤波、屏蔽、接地、频谱利用、材料学、生物医学、射频噪声和环境学等跨学科的多种技术领域。 EMC 测试在其中是一项专业性很强的技术工作。

一、 EMC 预测分析

电磁兼容问题处理方法有解决法、规范法和系统流程法等多种方法。

解决法是比较原始的手段，适合老产品在改进产品中使用，对于新产品的设计，则是一种冒险的方法，应避免采用；

规范法要求每个设备或分系统必须满足预先规定的标准，一般 80% 的电磁兼容问题能解决，但其针对性不够强，且成本较高；

系统法是利用电磁兼容预测数学模型和数据库，在各个设计阶段不断修正措施，以达到最优设计， 90% 的电磁兼容问题能解决。

二、 EMC 设计系统流程法（ System Flow Method ） : 在医用电气产

品设计的研发阶段，从流程上进行设计控制。 EMC 设计从产品的系统角度进行考虑，在产品设计流程

的早期阶段就要导入先进的 EMC 设计策略，产品开发工程人员掌握正确的 EMC 设计方法，从产品设计的源头上解决 EMC 问题，确保 EMC 的设计理念和设计手段在各个阶段得以相应的实施，保证产品最终 EMC 性能。

根据经验，一般情况下，电磁兼容性所需的费用应占系统总成本的 5%—10% 。

总体设计

原理图设计

PCB设计

结构设计

三、 EMC 测试按照《 YY0505—2005/IEC 60601—1—2 ：

2001 医用电气设备第 1—2部分：安全通用要求并列标准：电磁兼容要求和试验》进行电磁兼容干扰和电磁兼容抗干扰检测项目在规定的检测所进行检测 .

四、 EMC 管理实施系统流程法 :

必须成立电磁兼容技术组或由专业技术人员负责，协调处理各种电磁兼容性事宜；

根据 YY0505 标准，制定电磁兼容大纲，规划各种电磁兼容计划，协调各种技术参数，建立一套规范的 EMC 设计控制和 EMC 设计检查表，以确保产品在开发过程中，进行全程的 EMC 设计控制和管理 .

1.2 EMC 试验技术的发展随着测试技术的发展以及测试对象的细分， EMC 测试也越来越有与产品功能测试融为一体的趋势。

在产品的 EMC 测试过程中必须随时监测被测设备 ( 以下简称 EUT) 的工作情况。作为未来发展中逐步完善的 EMC测试系统应该包括 EUT监测设备和具备对 EUT 进行功能性测试的设备。

EMC 试验技术在不断发展。

虚拟仪器技术使得测试系统引入人工智能。内装自检技术的应用实现了被测系统的自动检测和故障诊断。

展望未来，随着测试技术向多媒体化、网络化的迈进，一种新的测试体系会逐步建立起来，

国际上具有权威的世界贸易组织WTO 在 WTO／ T

BT协议中规定了签字国必须依照国际标准或其中有关部分制定自己的技术法规和标准。

欧洲已经采用 CE 标记，所谓 CE 标记是指欧共体对于符合它在官方公报上颁布的一项有关 EMC

指令要求的标记。

1.3 电磁干扰的危害随着科学技术的进步，人类正进入信息化社会。人

类的生存环境也同电磁环境相互交融。早在 1975年专家学者就曾预言，随着城市人口的迅速增长，汽车、通信、计算机与电子、电气设备大量进入家庭，空间人为电磁能量每年增长 7％～ 14％ .

25年环境电磁能量密度最高可增加 26倍， 50年可增加 700倍， 2l世纪电磁环境会日益恶化。在这种复杂的电磁环境中，如何减少相互间的电磁干扰，使各种设备正常运转，是一个亟待解决的问题，另一方面，如何降低恶劣的电磁环境对人体及生态产生的不良影响，也是一个不容忽视的问题。

在人们的生活中，电磁兼容效应普遍存在，形式各异。如果电磁兼容效应严重，则将导致严重的故障或事故，同时对人体健康也有影响。

电磁干扰危害的实例（交通、医疗、军事、信息领域）

2001年 8月 19日上海机场上空受电磁波干扰的报导说：上海仙霞路和南汇惠南镇地区附近的几个寻呼台发出的电磁波给上海虹桥、浦东两大国际机场的地空通信、飞行安全带来不利影响。此外，在飞行航线上，飞机也受到无线电广播台的干扰。

2001年 10月 26日上午 8时，民航华北空管局北京区域管制中心的地空通讯频率受到了严重干扰，以至不能正常工作。为了保障空中飞机的安全，区域管制中心不得不采取限制飞行流量的措施。

美国航空无线电委员会 (Radio Technical Commission for Aeronautics ， RTCA) 在一份文件中提到，由于没有采取对电磁骚扰的防护措施，一位旅客在飞机上使用调频收音机，使导航系统的指示偏离 10° 以上。因此，在国际上，对舰载、机载、星载及地面武器、弹药的电磁环境都有严格要求。 1993年美国西北航空公司曾发表公告，限制乘客使用移动电话和调频收音机等，以免骚扰导航系统。

2000年 ,日本一家医院在输液抢救一名老年病人时 ,输液泵受到手机的无线电发射干扰而失控 ,停止输液。

1998年，美国德克萨斯州有两家医院使用的无线医疗远程监护设备受到干扰而停止工作。

广州一名安装了心脏起搏器的病人，在用手机进行通话时，起搏器受到干扰而工作不正常，险些失去生命。

在美国，一名安装了电动控制假肢的人在驾驶摩托车经过高压线时，由于电动假肢受到干扰而发生误动作，造成了车毁人亡的惨剧。

在一次手术中，一台塑料焊接机对病人的监控系统产生了干扰，致使没有探测到病人手臂中的血液循环停止，后来这位病人的手臂只得切除掉。

20世纪 70年代，美国研制的“防空计算机系统”在运行过程中，曾两次发出“前苏联要袭击美国”的紧急警报 ,致使基地的导弹推出弹井且顶上了发射架，轰炸机、战斗机也发动起来了，士兵爬上了运兵车，作好了战斗准备。场面顿时一片混乱，如临大敌。后来中心控制室发现，是中心计算机受电磁骚扰产生了误触发，结果是一场虚惊。

美国纽约某银行在一次结算时，突然发现欠另一家银行 350亿美元巨款，银行总经理闻知后，当即吓得昏了过去，后经逐级查账后发现，是计算机在运行中出了错，也是由于外来电磁骚扰所致。

电磁干扰对设备的危害电磁干扰 : 随着科学技术的发展，人们在

生产及生活中使用的电气及电子设备的数量越来越多，这些设备在运转的同时，往往要产生一些有用或无用的电磁能量，这些能量会影响其他设备或系统的工作。

有人将电磁干扰的危害程度分为灾难性的、非常危险的、中等危险的、严重的和使人烦恼的 5 个等级。

电磁干扰造成的灾难性后果

电磁信息泄密使企业科技和商业机密被竞争对手轻易获取，严重影响企业的生存和发展；电磁波的辐射，造成国家政治、经济、国防和科技等方面的重要情报泄密，关系到国家的保密安全问题。

1976年～ 1989年我国南京、茂名和秦皇岛等地的油库及武汉石化厂，均因遭受雷击引爆原油罐，造成惨剧。雷击引起的浪涌电压，属于高能电磁骚扰，具有很大的破坏力。

1992年 6月 22日傍晚，雷电击中北京国家气象局，造成一定的破坏和损失。因为雷击有直接雷击和感应雷击两种，而避雷针只能局部地防护直接雷击，对感应雷击则无能为力，故对感应雷击应采用电磁兼容防护措施。据悉，绝大部分的雷灾事故中受损的是电视、电话、监测系统和电脑等高科技产品。灾情有的造成整个计算机网络系统瘫痪，有的造成通信系统不畅，有的还造成辖区大面积停电。

2000年 1至 8月份，广州市因雷击造成的死伤多达 67 人，其中死亡人数多达 20 人。同时，雷击已经成为酿成广州电气火灾的第二大罪魁祸首。房屋和电器等损毁也较1999年严重，经济损失愈亿元。

电磁场对人体的危害在现代社会，随着电子产品的日益增多，电磁

分布也日益复杂，只要有人的地方，无处不存在着电磁场。而居于电磁场周围的生物和非生物都要受到它的影响。任何事物都有两面性，电磁波也不例外。

电磁波辐射继水源、大气和噪声之后成为第四大环境污染源。现在，世界各国都对此极其关注，在这方面作了大量的研究并制定了防备措施。广大的公众也对此有很大的兴趣，关心电磁辐射对人体的影响。

电磁污染源很广泛，它就在我们生活的周围，几乎包括所有的家电，只是污染程度有强弱之分罢了。计算机首当其冲，是因为人们必须与它面对面地操作，而且长时间接触，不像电视机能远距离接触。

微机等荧光屏可产生相当强的电磁辐射，对人体健康不利，对孕妇的影响更明显，对 1～ 3 个月的胎儿危害更大。据美国的一项报告，德伯特公司有 12名孕妇在荧光屏前工作，一年间竟有 7名孕妇流产， 1名孕妇早产；国防兵役局有 15名孕妇在荧光屏前工作，有 7 人流产， 3 人产下畸形婴儿。像这样的例子数不胜数。据来自美国的一项研究发现，每周操作计算机达 20小时的孕妇，在妊娠 3 个月内流产的可能性是通常情况下的两倍。

当今世界移动通信发展迅速。我国移动电话手机用户至 1999年底已达到 4300万，全世界手机用户达到 4亿。据预测，到 2000年，我国手机用户将达到 7000万，全世界用户将达到 5亿。再过 5年，我国手机用户将超过美国与日本，成为世界上手机用户最多的国家。到 2010年，我国手机用户将达到 2亿。手机持有者希望在任何地方都能获得通信服务，这就势必要求移动通信基站无处不在。

手机、无绳电话对人体的危害及其防治措施是人们日常生活中最关注，同时也是国际上最热点的问题，因为它们用天线直接对着人的脑部辐射电磁波。更为严重的是，人们都习惯于将手机紧紧贴着耳朵讲话， 20％以上的辐射功率都被脑部吸收了。关于手机辐射对人体的影响，世界各国都在研究。

一位意大利企业家使用手机，工作效率大增，可 3年后他的头部发现癌瘤，从 CT 确诊癌瘤部位恰好位于手机天线顶端习惯放置的部位。

1994年一位美国商人使用移动电话 4年后，同样也发现了头部癌肿，经治疗无效死亡。

美国研究人员赖 ·亨利博士在不久前布鲁塞尔召开的国际移动电话安全会议上报告说，移动电话发射的微波可导致实验室中的老鼠暂时丧失某些能力。他在一项实验中对老鼠进行了大约 45 分钟低能量辐射——大体上相当于一部移动电话发射的能量，结果发现，老鼠在接受辐射后短时间内产生了头脑混乱。他认为，移动电话很可能对哺乳动物的脑细胞造成不良影响，因为这种辐射改变了细胞组织，因此也改变了脑细胞执行任务的方法。

利用电磁场对人体的影响，目前产生了新式的杀伤性武器。科学家发现，当电子束以光速或接近光速的速度通过等离子体时，会产生出定向微波能量，这种微波能量比大功率雷达用的微波功率要高几个量级。如果将这种波束能量加以会聚，就可能研制出直接杀伤对方战斗成员的电磁武器。

美国已研制成功强微波发生器和高增益定向天线，可以发射出高强度的微波射束。据报道，人员直接遭到这种波束的“闪击”，可以造成神经细胞的功能混乱，出现神经错乱、晕头转向等现象；造成心房纤颤或心力衰竭，引起心脏病，甚至使心脏和呼吸功能停止，从而造成人员猝死。

电磁干扰日益严重的原因归纳为以下几个方面 :

（ 1 ）雷电（包括核爆炸等强电磁脉冲）；（ 2 ）静电及所有电气的动作（包括正常及非正常的）过程。例如这几种情况：卫星通信，飞机航行的智能化；高层建筑、通信无线塔、超高压输电线路、油库群、港口建筑；

（ 3 ）工厂自动化生产线、电气牵引馈电系统的谐波，大型医疗设备。物理仪器，家用仪器，电动工具、移动电话、遥控仪表、集成模块，印刷电路板等。

（ 4 ）绝缘物体的相对摩擦也会产生可怕的静电效应。例如，高速飞行器与大气的相对运动、合成材料的缠绕、流体（石油、天然气等）的高速传输、化纤织物与人体的摩擦等。

由于静电积聚的隐蔽性和释放过程的突发性，造成的危害程度不亚于谐波和强电磁脉冲。

凡有电磁现象存在的地方都有 EMC 问题：

在工作运行期间，通过辐射把“电磁垃圾”排向空中骚扰其它用电产品；通过滤波器把“电磁垃圾”注入地下，形成地电流，还会对其它用电产品造成共模骚扰；通过电源线把“电磁垃圾”送到低压电网，会骚扰电网。

第二章电磁兼容常见术语

一、电磁兼容性

ElectroMagnetic Compatibility

设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

1. 电磁环境 electromagnetic environment

存在于给定场所的所有电磁现象的总和。通常，存在着自然界产生的电磁辐射和人为产生的

电磁辐射。

二、电磁环境相关

典型的电磁环境 (1) 自然界产生的电磁辐射自然界产生的电磁辐射主要是天电干扰，其中尤其以雷电产生的称之为“浪涌”的电磁干扰最为厉害。

(2) 人为产生的电磁辐射无线电广播、电视、无线电通讯高压输电线路、大功率的电气、电子设备等所产生电磁辐射。

2.医疗设备的电磁环境现代医疗设备中不仅使用了各种高敏感性电气、

电子元件和部件，并且与电脑、移动通讯系统等结合组成地区广泛的远程医疗诊断网络，它们在工作时向周围发射不同频率范围、不同电磁场强度的有用或无用的电磁波，影响无线电广播通讯业务和周围其他设备的工作，而且它们在共同的电磁环境中还可能受到周围电力、电子设备以及医疗设备之间的相互干扰。

医用电气设备的电磁环境

医院内的电磁干扰源

病人辅助设备，例如电动轮椅。电子手术装置 (ESUs) 及其支持设备。 ESUs

能产生大量高达 30V ／ m 电场的电磁干扰。 x 光装置，包括治疗和诊断。伽马刀、电子加速器和激光治疗仪器。电脑、远程通信系统等。手机。在离手机辐射源几英尺的地方可产生达 3V／m的场强。

对电磁干扰敏感的医疗设备

核磁共振成像系统。该系统必须高度屏蔽，任何明显的泄漏都会使系统工作和附近的医疗仪器产生影响。

植入心脏的设备。例如起搏器和植入心脏的除颤器。病人是活动的，可能会走动到有高电磁干扰源 (>200V ／ m) 的地方。

输液泵。病人监护系统产生较小的信号电平，但是此

设备是位于可控环境中。

3. 电磁骚扰 electromagnetic disturbance

任何可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。

注：电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。

4.电磁干扰 electromagnetic interference

电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。

电磁干扰的传播产生电磁干扰的三要素：干扰源，耦合途径，干扰

接受部（敏感部件）

干扰的传播途径

电磁干扰的耦合途径：传导耦合和辐射耦合

传导耦合 : 可直接通过电源线、地线、信号线、互连线等导体进行耦

合。也可通过回路的公共阻抗或导线间的感性和容性耦合路径来传播。

辐射耦合 : 通过电磁场的电磁感应在空间传播的方式。电磁辐射的实际路径可表现为：天线 -天线、天线 -电缆、

天线 -机壳、电缆 -机壳、机壳 -对机壳、电缆 -电缆。

电磁干扰的传播

电磁干扰的传播某电气设备的耦合路径示意图存在干扰源设备通过电缆、机箱和电源线对受干扰设备的

电缆、机壳和电源线的辐射耦合，及经公共电源阻抗和输入 /输出的传导耦合和外部电源经被干扰设备的电源线对被干扰设备的传导耦合。

三、电磁兼容性原理1.电磁发射 electromagnetic emissionIEC 定义：电磁发射是“从源向外发出电磁能的现象”。例如：计算机就是一干扰源，它向外发射干扰电磁能。

电磁发射与电磁辐射的区别

电磁发射（ electromagnetic Emission ）指从源向外发出电磁能的现象。向外发送的电磁能可能是以电磁波的形式在空间传播，也可能以电压或电流形式在导体内传送。

电磁辐射（ electromagnetic Radiation ）指以电磁波形式由源发射到空间的现象。向外发送的电磁能以电磁波形式在空间传播。

2. 抗扰度 immunity 根据 IEC 定义：抗扰度是“装置、设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力”。

设备或系统的抗扰度水平越高，表明它越能承受外界的电磁干扰。

3.电磁兼容的基本原理必须建立一种规则：既要对设备或系统对外发射的过高电平作适当限制，又要对该设备或系统的抗干扰承受能力作出规定，即设

备或系统的抗扰度水平不能太低。

如电磁兼容的基本原理图所示。

电磁兼容原理图

由图可见，如果设备的发射概率曲线与抗扰度概率曲线分得愈开，即发射限值与抗扰度限值的间隔愈大，则电磁兼容的裕度就愈大，设备就愈能达到电磁兼容性。

四、电磁兼容相关术语介绍

1 、抗扰度电平 immunity level

将某给定电磁骚扰施加于某一装置、设备或系统而其仍能正常工作并保持所需性能等级时的最大骚扰电平。

2. (抗扰度 ) 符合电平 (immunity)compliance level

应小于或等于设备或系统满足相应条款要求时的抗扰度电平。

3. 抗扰度试验电平 immunity test level

进行抗扰度试验时，用来模拟电磁骚扰试验信号的电平。


4. 电磁噪声 electromagnetic noise

一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合。

5. 静电放电 ESD electrstatic discharge

具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移。


6. ( 设备或系统的 ) 基本性能 essential performance(of an equipment or system)

保持残留风险在可接受限值内的必需的性能特征。 7. 占用频带 exclusion band

预期用于接收 RF 电磁能的接收机频带。当接收频率大于或等于 80 MHz时，接收频率或频带可从 -5 ％延伸到 +5％；当接收频率小于 80 MHz时，接收频率或频带可从 -10％延伸到 +10 ％。

注：在国家无线电法规中，该术语的其他定义有时用于其他目的。


8. ( 设备或系统的 )功能 function(of an equipment or system)

设备或系统预期提供临床的主要特性。

9. GB 9706 试验电平 IEC 60601 test level 即标准或专用标准的 36.202 条规定的抗扰度试验

电平。


10. ( 对骚扰的 )抗扰度 immunity(to a disturbance)

设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力。

11.大型设备或系统 large equipment or system

不能在 2 m×2 m×2.5 m 的空间内安装的设备或系统，其中不包括电缆，但包括配电系统。


12. 信息技术设备 ITE information technology equipment

用于以下目的的设备： a) 接收来自外部源的数据 (例如通过键盘或数据输入线 ) ； b) 对接收到的数据进行某些处理 ( 如计算、数据转换、记录、建档、分类、存贮和传送 ) ；

c) 提供数据输出 ( 或送至另一设备或再现数据或图像 ) 。注：这个定义包括那些主要产生各种周期性二进制电气或

电子脉冲波形，并实现数据处理功能的单元或系统：诸如文字处理、电子计算、数据的转换、记录、建档、分类、存贮、恢复及传递，以及用图像再现数据等。


13. 生命支持设备或系统 life-supporting equipment or system

至少包括一种预期有效地保持患者生命或复苏功能的设备或系统，且其一旦不能满足要求就很可能导致患者严重的伤害或死亡。


14. 低电压 low voltage

相线与相线或相线与中线之间小于或等于交流1 000 V 或直流 1 500 V 的电压。

15. 工作频率 operating frequency

在设备或系统中设定用来控制某种生理参数的电或非电的信号基频。


16. 医用电气系统 ( 以下简称为“系统” ) medical electrical system

多台设备的组合，其中至少有一台设备必须是医用电气设备并通过功能连接或使用一个可移式多插孔插座互连。

注：当提及与系统连接的设备时，应该考虑包括( 医用电气 ) 设备。


17. 与患者耦合的设备或系统 patient-coupled equipment 0r system

至少含有一个应用部分的设备或系统，通过与患者的接触以提供设备或系统正常运行所需要的感知或治疗点，并提供一个预期或非预期的电磁能路径，无论是导体耦合还是电容耦合或电感耦合。


18. 公共电网 public mains network

所有各类用户接入的低压电力线路。

19. 射频 RF radio frequency

位于声频和红外频谱之间的电磁频谱中，用于无线电信号传播的频率。

注：通常采用的范围是 9 kHz 到 3 000 GHz 。


20. 脉冲噪声 (impulsive noise)

在特定设备上出现的、表现为一连串清晰脉冲或瞬态的噪声。

21. 脉冲骚扰 (impulsive disturbance)

在某一特定装置或设备上出现的表现为一连串清晰脉冲或瞬态的电磁骚扰。


22. 连续噪声 (continuous noise)

一个特定设备的效应不能分解为一串清晰可辨的效应的噪声。

23. 连续骚扰 (continuous disturbance)

一个特定设备的效应不能分解为一串清晰可辨的脉冲的电磁骚扰。


24. 猝发 (脉冲或振荡 )(burst(of pulse or oscillations))

一串数量有限的清晰脉冲或一个持续时间有限的振荡。

25. 电源骚扰 (mains—borne disturbance) 经由供电电源线传输到装置上的电磁骚扰。


26. 电源抗扰度 (mains immunity)

对电源骚扰的抗扰度。

27. 电源去耦系数 (mains decoupling factor)

施加在电源某一规定位置的电压与施加在装置规定输入端且对装置产生同样骚扰效应的电压值之比。


28. 机壳辐射 (cabinet radiatioff)

由设备外壳产生的辐射，不包括所接天线或电缆产生的辐射。

29. 内部抗扰度 (intemal immunity)

装置、设备或系统在其常规输入端或天线存在电磁骚扰时能正常工作而不产生性能降低的能力。


30. 耦合系数 (coutpling factor)

给定电路中，电磁量 (通常是电压或电流 ) 从一个规定位置耦合到另一个规定位置，目标位置与源位置相应电磁量之比即为耦合系数。

31. 耦合路径 (coupling path)

部分或全部电磁能量从规定电路或装置传输到另一电路或装置所经由的路径。


32. 屏蔽 (screen)

用来减少场向指定区域穿透的措施。

33. 电磁屏蔽 (electromagnetic screen)

用导电材料减少交变电磁场向指定区域穿透的屏蔽。


医用电气设备电磁兼容概论

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