اهمیت سازگاری الکترومغناطیسی emc در طراحی و انتخاب تجهیزات پزشکی
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.
http://www.iranbmemag.com/en/editor/images/1_w1000.jpg
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) فیلترها
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 فیلتر 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
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) فیلترها
قبل از بررسی نقش فیلترها، 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 فیلترها و SPDها استفاده می‌کنیم. ((SPD: Surge Protection Device
فیلترها برای تضعیف فرکانس‌های ناخواسته به کار می‌روند و مشخصه آنها به وسیله منحنی‌هایی بر حسب فرکانس مشخص می شوند، بنابراین منحنی مشخصه هر فیلتر 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 فیلترها یا SPDها به صورت صحیح استفاده نشوند، سطح تابش و ایمنی آنها بدتر از حالت بدون فیلتر یا SPD خواهد شد. لزوماً فیلترها یا SPDهای گران قیمت، بهترین گزینه نیستند. برای انتخاب یک فیلتر 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 اینگونه 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 فیلترها 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.
http://www.iranbmemag.com/en/editor/...jadval%202.jpg
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 فیلتر 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 ولتمراجع:
* پایان نامه پروژه های تحقیقاتی واحد R&D صنعت تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی شرکت صنایع اپتیک اصفهان در سالهای 84 تا 86
* استاندارد IEC60601-1-2
منبع: ماهنامه مهندسی پزشکی
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
http://www.iranbmemag.com/en/editor/...jadval%203.jpg
