10. INTERFERENŢA ELECTROMAGNETICĂ ŞI APARATELE ELECTRONICE MEDICALE

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "10. INTERFERENŢA ELECTROMAGNETICĂ ŞI APARATELE ELECTRONICE MEDICALE"

Μελίνα Ζάνος
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 CURS an IV - Electronica Medicala Prof.dr.ing. Hariton Costin INTERFERENŢA ELECTROMAGNETICĂ ŞI APARATELE ELECTRONICE MEDICALE Interferenţa electromagnetică (IE) este un concept general care se ocupă cu probleme diverse de interoperabilitate a echipamentelor electronice. De exemplu, un dispozitiv care produce un câmp de RF puternic (un aparat de electrochirurgie) poate interfera cu un monitor ECG, un calculator cu un aparat EEG, un emiţător-receptor cu un pacemaker sau cu o instalaţie de telemetrie etc. Problemele de interferenţă sau, mai larg, de compatibilitate electromagnetică, apar adesea datorită numărului crescând de emiţătoare radio / TV, calculatoare, televizoare, telefoane celulare, instalaţii de putere şi alte surse de câmpuri electromagnetice, posibil deranjante pentru echipamentele electromedicale Probleme de intermodulaţie Recepţia radio în sistemele de comunicaţii este afectată de fenomenele de intermodulaţie şi de modulaţie încrucişată. Ele constau în interferenţa, pe un semnal de frecvenţă dată, datorită mixării (heterodinării), a două alte frecvenţe oarecare F 1 şi F 2. Rezultatul este producerea unei combinaţii de frecvenţe nedorite, mf 1 ± nf 2 (m, n Z). Figura 10.1 arată situaţia unei instalaţii de telemetrie pentru monitorizarea ECG. Emiţătoarele ECG aflate la pacienţi lucrează în banda VHF- MF şi fiecare are o putere de 1 4 mw. Mai multe antene baston recepţionează semnale de la pacienţi, care sunt amplificate şi achiziţionate de consola staţiei. Deasupra acesteia se află un radioreceptor MF, al cărui antenă telescopică se găseşte la o mică distanţă de antena receptorului instalaţiei de telemetrie. Radioreceptorul, de tip superheterodină, conţine un oscilator local pe (F rec. + 10,7 MHz), unde F rec este frecvenţa recepţionată. În cazul celor trei frecvenţe de la intrarea antenei de telemerie, armonica a doua a oscilatorului local, 2x110,4=220,8 MHz, cade peste frecvenţa pacientului A, perturbând-o. Prin efect de captură, specific modulaţiei în frecvenţă, semnalul mai puternic predomină (186,2 MHz aici, translat prin mixare în amplificator în 220,8 MHz). Soluţia de bază este ecranarea corectă a receptorului MF. Alte soluţii apar în Figurile În Figura 10.2, între coaxial şi antena de recepţie se interpune o impedanţă de sarcină nesimetrică formată dintr-o buclă de cablu coaxial în λ/2, terminată cu un scurtcircuit.

2 234 CURS an IV - Electronica Medicala Prof.dr.ing. Hariton Costin Figura 10.1 Apariţia intermodulaţiei Figura 10.2 Înlăturarea IE cu buclă λ/2 Lungimile de undă altele decât multipli întregi de acest λ/2 vor vedea scurtcircuite la capătul intrării acestei bucle. Astfel, frecvenţele nedorite pot fi anulate, în timp ce frecvenţa utilă vede impedanţa antenei. Lungimea buclei, L, se determină din formula L = 492 V/ F (feet ), unde V este factorul de viteză al cablului (0,66 uzual) iar F este frecvenţa (MHz). Folosirea unor filtre selective (Figura 10.3) este o altă metodă de eliminare a IE. Dacă cel puţin unul din semnalele de interferenţă are o frecvenţă mai mare ca banda utilă, se foloseşte un FTJ; dacă frecvenţa este mai mică, un FTS va rezolva problema. De obicei, un FTJ pentru TV având frecvenţa de tăiere între 35 şi 45 MHz atenuează majoritatea semnalelor VHF. Figura 10.4 prezintă trei configuraţii de filtre folosite: rezonant paralel, în serie cu semnalul (a), rezonant serie, în paralel cu semnalul (b) şi combinat (paralel-serie-paralel)(c). O soluţie eficientă împotriva interferenţei sunt filtrele anti-ie montate pe calea de alimentare de c.a. de 220 V (şocuri de RF), mai ales pentru echipamente care consumă puteri mai mari de la reţea (până la 2000 VA). Chiar dacă un filtru trece-jos (FTJ) între emiţător (radio sau TV) şi circuitul de acord cu antena reduce efectul armonicilor emise (Figura 10.5), protecţia anti-ie la intrarea unui aparat medical, cu FTJ (Figura 10.6), este o soluţie benefică.

3 CURS an IV - Electronica Medicala Prof.dr.ing. Hariton Costin 235 Figura 10.3 Filtru VHF Figura 10.4 Filtre: paralel (a), serie (b), combinat (c) Figura 10.5 Instalaţie de emisie tipică Figura 10.6 FTJ ca protecţie IE pentru ECG Un circuit capcană (wavetrap) atenuează o frecvenţă sau o bandă foarte îngustă (Figura 10.7). Combinaţia de filtru paralel (L 1, C 1a, C 1b ) cu unul serie (L 2, C 2 ) oferă o impedanţă foarte mare la intrare pentru frecvenţa nedorită, restul de semnal parazit fiind apoi dus la masă de impedanţa scăzută a circuitului serie (figura b). Calculul elementelor de circuit este elementar,

4 236 CURS an IV - Electronica Medicala Prof.dr.ing. Hariton Costin dacă se ştie frecvenţa perturbatoare. Filtrele opreşte-bandă (FOB) atenuează frecvenţele aflate într-o bandă anume, de exemplu pentru emiţătoare MA (Figura 10.8). Detaliu tehnologic: bobinele trebuie separate fizic la câţiva cm iar L 3, L 4, L 5 se plasează în unghi drept faţă de L 1 / L 2. Figura 10.7 Filtru wavetrap Figura 10.8 FOB pentru emiţătoare MA Figura 10.9 FTS / 3 MHz Dacă frecvenţele parazite sunt sub banda dorită, se folosesc FTS. Filtrul universal trece-sus prezentat în Figura 10.9 atenuează frecvenţele sub 3 MHz (banda MA radio). Formula de calcul este: R L =, 4 π F t unde R este impedanţa caracteristică (50 sau 75 ohmi) iar F t este frecvenţa de tăiere (Hz).

5 CURS an IV - Electronica Medicala Prof.dr.ing. Hariton Costin 237 Figura Căi pentru IE: penetrare(a), scurgere(b), conducţie (c) 10.2 Interferenţa electromagnetică şi senzorii biomedicali Semnalul foarte slab produs de senzori poate fi uşor perturbat de câmpuri de RF. Bucla în λ/2 nu poate fi folosită, căci ea scurtcircuitează toate frecvenţele utile. Căile de transmisie a IE întrun sistem cu senzori sunt redate în Figura În cazul (a) apar curenţi de RF care sunt detectaţi de joncţiunile pn din circuite. Efectul este fie un curent de bias (c.c.), fie componente de modulaţie care cad în banda semnalului util. Soluţia este o ecranare completă a circuitului. Curenţii de scurgere (b) apar când există mici găuri în ecran, în două moduri: (i) modul rezonant, când gaura din ecranul senzorului rezonează la frecvenţa de interferenţă; (ii) dacă dimensiunea ei este λ/2, va acţiona ca o antenă care reradiază câmpul perturbator în interiorul ecranului. Conducţia curenţilor de RF apare când există un conductor oarecare ce străpunge ecranul (c), cu acelaşi rol de antenă. Soluţiile eficiente sunt filtrarea şi ecranarea (Figura 10.11a, b). Fiecare conductor, fie de alimentare sau de semnal, este pravăzut cu un filtru-şoc tip π. Acesta este un FTJ care separă eficient spectrul util de frecvenţa perturbatoare. O regulă empirică pentru calculul frecvenţei de tăiere (la 3dB) a FTJ este F t << 300 / 2L, ( << 1/10), unde L este lungimea expusă a conductorului în sistemul de senzori. Filtrul se instalează cât mai aproape de conector. Ecranarea dublă plus filtrarea oferă protecţie superioară la IE (b). C 1 şi C 2 sunt condensatoare de trecere, montate pe grosimea ecranului.

6 238 CURS an IV - Electronica Medicala Prof.dr.ing. Hariton Costin Figura Soluţii pentru tratarea IE: filtrare (a); ecranare plus filtrare (b) 10.3 Interferențele electromagnetice asupra cablurilor de electrozi Cablurile cu electrozii de culegere a diferitelor biosemnale sunt afectate de interferență electromagnetică, deoarece ele se comportă ca niște antene de recepție pentru câmpurile de RF perturbatoare. Minimizarea efectului interferenței electromagnetice se realizează de obicei prin două tehnici simple: ecranarea, respectiv gardarea conductorului de semnal al cablului de electrozi sau a electrozilor individuali. 1. Ecranarea cablului de electrozi Se realizează pe întreaga lungime a electrodului activ (de semnal), din sârmă lițată din cupru (Figura 10.12). În acest mod, impedanțele de legătură între intrările de semnal ale

7 CURS an IV - Electronica Medicala Prof.dr.ing. Hariton Costin 239 amplificatorului diferențial și sursa de semnal perturbator sunt mult diminuate. În schimb apar trei capacități parazite: C 1 și C 2, între firele de semnal și ecran, respectiv C 12, între cele două fire de semnal. Aceste capacități, chiar de valoare mică (pf), duc la scăderea CMRR global al montajului (raportului de rejecție a modului comun), prin dezechilibrarea intrărilor amplificatorului față de masă. Figura Ecranarea cablului de electrozi 2. Gardarea cablului de electrozi Gardarea se realizeză prin folosirea unui cablu dublu ecranat (Figura 10.13). Ecranul exterior se conectează la masa electrică. Ecranul interior este legat la sursa de semnal prin intermediul mesei flotante realizate cu R 1, R 2 (>1MΩ) și A 2. Potențialul său față de masa electrică este (V + in +V in )/2, unde V + in și V in sunt tensiunile pe cele două intrări ale amplificatorului. Capacitatea parazită dintre cele două ecrane este în paralel pe tensiunea de mod comun, V mc efect benefic. În plus, acum capacitățile parazite C 1 și C 2 dintre firele de semnal și ecranul interior au potențiale aproape identice la terminale, ceea ce le reduce semnificativ efectul negativ asupra rejecției de mod comun. Gardarea se poate face individual, pe fiecare electrod de semnal. Figura Gardarea cablului de electrozi

Σχετικά έγγραφα

4. CIRCUITE LOGICE ELEMENTRE 4.. CIRCUITE LOGICE CU COMPONENTE DISCRETE 4.. PORŢI LOGICE ELEMENTRE CU COMPONENTE PSIVE Componente electronice pasive sunt componente care nu au capacitatea de a amplifica