电磁兼容之家-复杂医疗环境下的电磁隐患检测仪设计论文
摘要：电磁信号对医疗设备的正常工作会有不同程度的影响，对床旁、植入式等医疗仪器的影响直接关系到患者的人身安全，严重时甚至危及人的生命。复杂医疗环境下的电磁干扰隐患检测仪利用嵌入式控制器控制无线收发芯片探测影响医疗设备的频段，实现对可能干扰医疗仪器正常工作的电磁信号进行检测。该设计采用宽谱信号无线收发芯片-nrf903和模数信号转换芯片-ad8318，利用fl2440开发板控制两个芯片的工作模式，将接收到的电磁信号与安全阈值进行比较，判断是否超出安全范围;并进行了对干扰源距离测定和定位的尝试。
随着医院现代化建设的快速发展，医疗设备在患者诊断和治疗方面发挥着越来越重要的作用，又由于绝大部分的医疗设备都是电子设备，因而在使用过程中容易产生电磁辐射，例如ct机,mri,放疗设备，x光机等。这些设备所产生的电磁辐射同时又会影响医院中其他的医疗设备，干扰其正常工作，在医院中形成复杂的医疗环境。此外，目前医疗设备小型化，智能化和灵敏度不断提高，使得它们更容易受到电磁干扰的影响，特别是那些抗干扰能力差的(即电磁兼容性差)诊断仪器，在受到电磁干扰的影响后，为医生提供了失真的数据，波形及图像等医疗信息，甚至不能正常工作，误导医生做出错误的诊断，影响患者后续治疗。例如，现在在急救时常用的超小型血压测量仪，由于其小型，精确化的设计，易受到电磁的干扰，影响急救。与此同时，很多病人都携带有医疗设备(例如心脏起搏器)，携带者往往忽视电磁辐射对这些医疗设备的干扰。所以电磁干扰对医疗设备的影响直接关系到患者的人身安全[1]。由此可见，在医疗设备受到电磁干扰(emi)之前,提前做出警示是十分重要的。
1、医疗环境中的电磁干扰
电磁信号对医疗设备的干扰就是指医疗设备在运作期间受到了超出其安全阈值的电磁信号的影响，从而使得不能进行正常的运作，得到失真的数据，图像等信息，造成医生的误诊，而对体内植入的医疗设备的干扰直接影响患者的人身安全。例如，在医疗环境下的电磁干扰有：(1)能够干扰医疗遥测系统的460mhz～470mhz无线发射机频段[2];(2)能够对植入式心脏起搏器造成影响的800mhzcdma移动电话频段[3];(3)能对心电检测仪造成干扰的900mhz、1800mhz gsm手机信号频段。这些影响具体表现在：1)干扰医疗设备的正常工作(如心脑电图机、超声诊断仪、针灸电疗仪或银针等直接接触人体的仪器设备。由于人体信号非常微弱，所以如果检测人体生物电信号的仪器设备受到干扰，就会在检测结果(如波形、图形、图像)上叠加一种类似于某些病变的畸变(谐波)造成误诊，同时还会引起微电击，严重时还有生命危险[4];2)影响患者的人身安全(如电磁干扰会影响心脏起搏器的工作，造成起搏器起搏频率异常等，严重时危急患者生命)。虽然在医院的一些检查科室会有一些警示标志，但是由于患者或家属急于就诊或主观上不曾注意，往往忽视了这一点，不仅影响医疗设备的正常运作，造成误诊，严重时还会危及患者的生命。所以，设计一种检测医疗环境中的电磁干扰，及时提醒用户是很有必要的。
2、系统的硬件设计
2.1 设计思想
首先对医疗过程中常见的电磁干扰(干扰波段，影响后果等)进行分析，在此基础上再进行硬件的设计。在医疗环境下常见的电磁干扰有：(1)能够干扰医疗遥测系统的460mhz～470mhz无线发射机频段; (2)能够对植入式心脏起搏器造成影响的800mhz cdma移动电话频段;(3)能对心电检测仪造成干扰的900mhz、1800mhzgsm手机信号频段等。对于植入式的医疗设备，例如心脏起搏器，在受到电磁干扰后不能正常工作，对人身安全造成威胁;对于心脑电图机，监护仪等诊断设备在受到电磁干扰后，会影响它的正常工作，从而得到失真的数据，图像等信息，造成医生的误诊。根据这些现状，我们首先要对这些频段的信号进行接收，之后再考虑如何处理这些信号，使之满足设计目标。因此，系统的硬件设计是：无线收发芯片接收电磁信号，并将接收到的信号输入信号检测电路，将功率信号转换成电压信号，这样易于处理。再通过一个放大电路后，送入arm嵌入式控制器，通过arm的控制，选出能够影响医疗设备的电磁信号频段，再与预先设定好的安全阈值进行比较，如果超出安全阈值就启动报警电路，并尝试对干扰源进行定距，从而提醒病人及其家属避开干扰源。按照设计思想，首先做硬件选型工作。
2.2 系统的主要结构
如图1所示，该系统硬件主要包括了fl2440控制器，无线信号收发模块，rf功率检测模块，放大电路，相位差检测电路，存储模块，报警电路，液晶显示屏。其中rf功率检测模块是对接收的信号进行模数转换，将电磁信号转换成电压信号;信号预处理电路是对接收信号进行相位差检测之前对信号的滤波整形电路。该设计中的控制器是 fl2440开发板，它采用16/32位的risc处理器s3c2440a，这款芯片采用arm920t内核，低功耗，具有高速的处理计算能力，能够很好的满足设计要求。同时fl2440开发板自带有报警电路和液晶显示屏，通过将收接到的信号与设定的阈值进行对比判断。若是超出安全阈值则会启动报警电路，提醒使用者。
2.3 无线信号接收及检波电路选型
无线信号接收与检波电路包括了无线信号收发模块和rf功率检测模块两部分，其主要功能是接收周围环境中的电磁信号，并将其转换为电信号，以便之后处理。由于这种设计针对的是医疗环境中的电磁干扰检测，所以无线信号接收芯片要根据医疗设备所受电磁干扰频段进行选择。在这里，选择能工作在433/868/915ism频段的宽谱信号无线收发芯片-nrf903,它能够接收到对医疗设备有影响的大部分频段，满足检测仪的设计需要。此外nrf903低功耗，抗干扰能力强，能够获取当前接收到的信号的强度，并且外围器件少，集成度高，使设计产品更为轻便。rf功率检测模块需要检测出nrf903接收到的信号，进行模数转换，将电磁信号转换成电压信号，根据要求，选择模数转换芯片-ad8318.该芯片能够精确测量1mhz-8ghz带宽内rf信号的功率，当rf信号从射频输入信号端输入时，经过ad8318后转换成电压信号。此外ad8318噪声小，稳定性好，功耗低等特点，使得设计更优。
2.4 信号放大和处理电路
信号放大电路由四运算放大器芯片lm324以及外围电路组成，如图2[5]所示.lm324内部运放b的反相端与ad8318 输出口通过r4相连，且从ad8318输入的电压信号先与基准信号vs比较，当电压高于vs时，放大器d和c将对b输出的电压信号进行放大，并输出3～5v的电压信号给信号处理电路的a/d转换电路,fl2440再对数字信号进行分析处理，输出相应的报警信号。
2.5 相位差检测电路
信号在进入相位差检测电路之前，首先要经过滤波整形。信号的滤波整形是将信号中的高频干扰和低频漂移信号由带通滤波器滤掉之后进行线型放大，变为波形正规，幅值适当的正弦信号，然后经过滞回比较器及晶体三极管整形成ttl电平，信号整形电路如图3所示[6]。图4是相位差检测电路。该电路是由两个j-k触发器组成的边沿触发型相位差检测电路。f1的两个输出口分别接f2的j2和k2,所以f2在clk2端受下跳沿触发后,建立的状态与f1相同;f2的两个输出口分别接f1的k1和j1,所以f1在clk1端受下跳沿触发后,建立的状态与f2相反。
3、系统工作流程设计
系统的主要工作流程如下图5所示。当系统准备好以后，首先选择的是所要服务的医疗设备(例如输液泵，心电图机，监护仪等)，进而nrf903开始接收周围环境中的无线信号，将接收到的电磁信号输入信号检测电路进行相关处理，通过放大电路后输入arm控制器，选择能够影响医疗设备的电磁信号频段，若是有效且稳定信号，则通过设定的程序与预先制定好的安全阈值进行比较，若是没有超出安全阈值范围，则继续接收信号，若是超出了阈值，则启动控制器上的蜂鸣器进行报警，提醒用户，并检测出辐射源的距离，保存此次数据，以便之后统计分析。
4、软件设计核心
该系统的软件设计核心主要是将接收到的信号与安全阈值进行比较并判断以及对干扰源的定距。这里的安全阈值要根据医院中医疗设备的电磁兼容性进行设定，由于不同的医疗仪器的抗电磁干扰的能力不同，所以医疗设备设置的安全阈值也不相同。且医疗仪器在频率相同，强度不同的电磁信号影响下所受到的干扰程度也不一样，因此安全阈值的设定要根据实际的医疗设备来确定，这需要到医院进行实地调查。例如，对军队中使用的便携式监护仪进行电磁抗扰度的试验可以发现：对于80-390mhz范围内的电磁干扰，监护仪的敏感临界场强随频率的增大而减小;对于390-900mhz范围内的电磁干扰，监护仪的临界场强大致随频率的增大而增大，且对390mhz左右的电磁干扰最为敏感，其临界场强最低[7]。
5、干扰源的定距算法
干扰源定距采用的是单站瞬时定距技术[8]。在接收信号时我们采用三根天线a,b,c;其中假定a,b和b,c两个天线间的距离分别是dab,dbc,相位差分别是фab和фbc。ra,rb,rc则是干扰源分别与三根天线的距离，如图6所示。
所以，如图6中所示那样，通过无线收发芯片，由3个相同的nrf903芯片的天线对同频信号进行接收，并测量出dab,dbc两个距离，然后将信号送入图3，图4所示的相位差检测电路，再基于arm控制器，计算出两个基线相位差的差ф，通过联立式子①和②,求出α，△α;进而根据公式③求出干扰源的距离，达到干扰源定距的目的。
6 、结语
本文基于开发板fl2440设计了能够在复杂医疗环境下检测电磁干扰隐患的检测仪的硬件电路和系统软件的主要工作流程。fl2440采用的是16/32位risc处理器s3c2440a，这款芯片低功耗，且具有高速的处理计算能力，同时fl2440开发板自带有报警电路和液晶显示屏，能够很好的满足设计要求。此外，采用的信号检测核心芯片ad8318具有噪音小，功耗低，稳定性好等特点，这些都表明了设计的可行性。这种能检测复杂医疗环境中电磁干扰并提出警示的检测设备可面向复杂电磁干扰环境下的医疗仪器和带有医疗设备的病患群体，并且具有灵敏度高，测量频率广，检测参数可调的特点，在医院中能够帮助诊断设备减少误差，在未来具有很大的应用前景。
陈雨羲 汤中旭 魏来 曾珂 田荷莲 张俊然
(四川大学电气信息学院 四川成都 610065)
参考文献
[1]sandyxu.探讨医疗设备的电磁兼容性[eb/ol]. http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80011047/page/1,2012.
[2]訾鹏.fda公众健康通知:医学遥测系统在460-467mhz频率的波段操作时有电磁干扰的风险[n]《.中华医学信息导报》,2005.
[3] 800mhz w-cdma手机3cm以内会影响心脏起搏器[eb/ol].http://www.cww.net.cn/article/article.asp?id=44267&bid=2493,2006.
[4]电磁干扰及其对医疗仪器设备的影响与对策[eb/ol]. http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80003389?page=1,2009.
[5]王俊杰等.基于ad8318 的无线信号检测仪设计[j].郑州轻工业学院学报:自然科学版,2011.
