医用电气设备的电击防护措施

二、医用电气设备的电击防护措施

从上述电击原因可知，防止电击的基本着眼点有两个方面：其一是将病人同所有接地物体和所有电流源进行绝缘，其二是把病人所有够得着的导电表面都保持在同一电位上，但不一定是地电位，目的都是使通过病人的电流减到最小。

医用电子设备的适用对象多数是不健康的人，有的疾病本身使患者对外界刺激的抵抗力降低；有的由于诊断和治疗，外来的刺激很容易引起更为不良的影响。有的病人由于疾病或者麻醉和药物的影响有可能失去意识，意识处于不清醒状态时，患者失去对危险的感觉。其次，由于疾病种类和治疗上的需要，要使患者身体不动，将身体固定在病床和检查台上，这样的患者即使感觉到电击的危险也无法逃生。

可见，加强医用电子设备的电气安全措施，最大限度地减小病人遭受电击的可能性，有着特别重要的意义。要加强电击防护就必须分析产生电击的原因，下面具体介绍几种电击防护措施。

1．设备外壳接地

图3-5　设备外壳接地

设备外壳接地是最经常使用的安全措施，由于外壳可靠接地，即使火线与外壳发生了短路，短路电流的极大部分也会从外壳地线回流到地，流过人体的电流只是其中的很小一部分，同时又因短路电流足够大，可立即熔断线路中的保险丝，从而迅速切断设备电源，保障人身安全。图3-5为设备外壳接地时的情况。一般情况下，只要保证外壳接地良好、有效、可靠，即使设备发生故障，外壳漏电，仍可保证病人安全而不会受电击。但是在某些特殊场合，例如在危重监护病房特别是对电气敏感的病人同时使用多台设备时，为防止设备外壳非等电位接地而引起的电击事故，必须采取等电位接地系统。

2．等电位接地

在分析产生电击的因素时，曾提到当多台设备同时与病人相连时，如果每台设备的外壳电位不等，就会发生电击。因此，等电位接地系统是防止电击的又一有力措施。所谓“等电位接地系统”是使病人环境中的所有导电表面和插座地线处于相同电位，然后接真正的“地”，以保护电气敏感病人，也能保护病人免受其他地方地线故障的影响。

3．基础绝缘

把医用电子设备的电路部分进行绝缘，通常采用金属或绝缘外壳将整个设备覆盖起来，使人接触不到。如图3-6所示，R_P为人体的等效电阻；Z_i为绝缘的阻抗，用R_i及C_i并联表示。由于绝缘使流过人体的电流减小，在很多场合下可以防止电击事故。

图3-6（a）　绝缘和外壳的电路的保护

图3-6（b）　等效电路

基础绝缘即使是正常的，也存在引起事故的危险。这是因为绝缘阻抗不够大，因而漏电流增大引起电击事故。医用电子设备暂定安全标准中，对医用设备正常工作时不引起微电击的漏电流容许值取为10μA。如果电源电压采用220V，绝缘阻抗必须在5MΩ以上。如果分布电容很大，加上基础绝缘老化，造成微电击的可能性就很大。

4．二次绝缘

当病人和医务人员偶然接触到漏电设备的外壳时，就会发生电击事故。为了确保安全，通常可以采用两种方法，一是用绝缘材料做设备的外壳，二是用另外的绝缘层（保护绝缘层）将易与人体接触的带电导体与设备的金属壳体隔离（称为一次绝缘），而设备的金属壳体照常与它的电气部分隔离（功能绝缘层，又称为二次绝缘层）。这两种方法都称为双重绝缘，它包括了防护绝缘和功能绝缘。采用双重绝缘后，即使设备的外壳漏电，也不会引起电击事故。需要指出的是，双重绝缘不但能防止宏电击，也能防止微电击。

另一种双重绝缘指的是把电源和整个系统用双重绝缘变压器进行绝缘，将变压器次级的一端接地，并在接地处安装一个零相电流检测器，次级侧采用三线或把接地线当中的一条线作为保护接地线用，如图3-7所示。

图3-7　用双重绝缘变压器的医用设备系统

用此方法，电子计算机和终端机的漏电流通过保护接地线从绝缘变压器的次级侧B点流回变压器，在原地线中几乎没有漏电流通过。如发生故障，有漏电流通过患者或操作者时，由零相电流检测器检测出漏电流，并由这个电流控制初级侧断路，或者发出报警信号。

5．低电压供电

当人体电阻一定时，加在人体上的电压越高、通过人体的电流也就越大，产生电击的可能性也越大。为了减少电击危险，在医疗设备中采用低电压供电是一个较佳的方案。如果选用特别低的电源电压，即使人体接触到电路时，也没有损伤危险，就是基础绝缘老化、损坏，也不会发生电击事故。把人体接触而无致命危险的电压值称为容许接触电压，这个电压值一般认为在25～60V之间。

低压供电的方法有两种，一是采用低压电池供电，二是采用低压隔离变压器供电。

图3-8　生理遥测系统

低压电池供电一方面可达到低压供电的目的，另一方面由于它没有接地端，因此电池供电的设备的外壳可不接地，这样就可取消人体接地的措施。电池供电广泛应用于无线电遥测中，如在ICU、CCU监护系统中，往往需要对病人的心电、脉搏、呼吸等参数进行不间断的监护。图3-8所示的遥测系统可实现这一目的。

遥测系统的主要组成部分：传感器、放大器、发射机、发射天线、接收天线、接收机及记录器。以心率无线遥测为例，通常的做法是：将放大器、发射机组装在一个体积尽可能小的盒子里，线路由电池供电。发射信号被在远处的接收机接收，接收部分不与人体接触，故可采用市电供电。因电池电压通常较低，不会对人体构成危险，故低压电池供电是避免电击事故的一种有效方法。

低压隔离变压器常使用在如眼底镜和内窥镜等仅有一个灯泡且耗电量较大的医疗设备中，其输出低压部分与地绝缘。

6．采用非接地配电系统

一般的低压配电系统都是采用接地方式，即交流电源中的中线是接地的，这是引起电击的一个重要潜在因素。采用隔离变压器可将接地方式变为非接地方式。隔离变压器与普通变压器的不同之处在于它的次级绕组没有任何一端接地，如图3-9所示。

图3-9　变压器和隔离变压器

只要次级对地的阻抗足够大，则次级的一条线即使接地也没有电流通过。但是实际上，由于初级、次级间存在静电电容，次级对地也有分布电容，因此漏电流总是存在的。实际的接地电流是由次级对地的阻抗大小决定的。显然，假若次级对地的阻抗变得很小，或者次级的一端与地短接，则隔离变压器的功能将不再存在。这时，如果隔离电源次级另一端与病人接触，电击事故照常会发生。可见，为了保证隔离电源系统的保护功能，必须监视隔离变压器和地之间的阻抗。一旦电阻减小到一定程度，立即报警，指示隔离变压器已经失效，必须及时排除故障。

线路隔离监视器可以达到监视的目的，典型线路如图3-10所示。图中，L₁、L₂为隔离变压器的次级绕组端，Z₁、Z₂分别为L₁、L₂的等效对地阻抗，把L₁或L₂接地时流过的电流分别用I₁、I₂来表示，如式（3-1）、式（3-2）所示，则计算后，其中较大的一个称为危险指数。

图3-10　线路隔离监视器

危险指数的含义是指隔离变压器的次级绕组有一端发生接地事故时流过的最大接地电流。它因配电系统连接不同的负载设备或因配电系统的绝缘情况的不同而不同。不连接负载设备的危险指数表示配电系统本身的绝缘情况，称之为系统危险指数。如果设备负载连接到系统上，因为使等效对地阻抗Z₁、Z₂下降，则危险指数增加，把这时的危险指数称为故障危险指数。危险指数的允许值通常取为2mA，这个值是根据爆炸性气体不能点火、不能发生致死性电击事故而定的。使用了线路隔离监视器会使危险指数增加，把这个增加量称为监测器危险指数。综上所述，各种危险指数间的关系如下：

总危险指数＝监测器危险指数＋故障危险指数

故障危险指数＝系统危险指数＋由于连接设备后增加的危险指数

设图3-11的Z₃、Z₄、Z₅都是电阻，分别取为100kΩ、100kΩ和50kΩ，如图3-11所示。当E取100V时，监测器危险指数I_MH为：

当L₁对地有67kΩ的等效电阻时，如图3-13所示，故障危险指数I_FH如式（3-3）所示：

由此可得总危险指数I_TH如式（3-4）所示：

I_TH＝I_MH＋I_FH＝0.5＋1.5＝2（mA）　　　　　（3-4）

图3-11　监测器的危险指标和总危险指标

这时在监测器表头中流过的电流是0．5mA，如果把监测器上指示0．5mA的位置算作表示2mA，则监测器的读数就可以表示总的危险指数。

因此，实际通过接地点的电流和危险指数是不同的，危险指数是产生接地时流过的电流，并非实际通过接地点的电流。

前面的分析把L₁的对地等效阻抗Z₁按纯电阻计算，现在再把Z₁看做纯电容进行计算，纯电容的阻抗也取67kΩ，应用戴维南定理可得图3-12形式。通过监测器的电流I如式（3-5）所示：

图3-12　Z₁为纯电容时的电流

虽然故障时危险指数仍相同，都是1．5mA，但监测器表头的指示已从原先的0．5mA变到现在的0．42mA，这是这种线路隔离监视器的不足之处。

必须考虑的另一种情况是，当L₁和L₂的对地等效阻抗同时变化而且相等时，图3-12所示的监测电路将处于电桥平衡状态，即使此时发生了接地事故，监测器表头中也无电流通过，从而会发生漏检现象。为了避免这种情况，可采用图3-13电路，每隔一定时间换接测量电路一次，破坏电桥平衡条件，消除漏检事故，这种监测器称为动态线路隔离监测器。

图3-13　动态线路隔离监测器

图3-14　病人不接地测量心电图

7．患者保护

从患者考虑出发，在医疗器械产品设计中可采用以下方法。

（1）右腿驱动技术

图3-15　右腿驱动心电放大器

造成触电事故的一个重要原因就是人体接地，因此最根本的安全用电措施就是取消人体接地。人体接地本来就是在没有高质量的放大器情况下采取的减少共模信号的应急措施。测量心电图时，如果病人右脚不接地，如图3-14所示，由于杂散分布电容的影响，病人身上将会产生很高的共模电压。假设病人左肩离电源最近，可将分布电容看做集中在电源火线和左肩之间；再设右腿离地最近，将分布电容看做是集中在地和右腿之间，假设它们相等，均等于10μF。通过分析可知，右腿不接地时，等效共模电压可达110V；如果右腿接地，则共模电压可减少到0．5mV左右。因此，最理想的方法是设计出一种既能减少共模干扰又能取消人体接地的电路。图3-15所示的右腿驱动心电放大器即可实现这一目的。

图中放大器对病人感受到的50Hz的电源干扰采样，并把该信号通过右腿放大器反馈给病人，以便抵消这种干扰。该系统可使病人有效地与地隔离，具有很小的泄漏电流，记录的心电图也相当清晰。

（2）人体小电流接地

正常情况下，人体通过一定电阻接地。一旦人体受到电击，电阻则限制通过人体的电流使之成为安全电流。这样使人体电位既保持为零电位，又对病人没有潜在危险。图3-16所示为一实用电路，图中R为数十MΩ，四桥臂VD为晶体二极管。一旦右腿的入地电流过量时，二极管桥路将切断右腿的接地线，免遭电击，确保人身安全。

图3-16　人体小电流接地电路

图3-17　信号隔离器

（3）信号隔离器

在绝缘体部分，触体部分和其他部分之间进行了电路绝缘，但还必须能够传送信号，能实现这个任务的就是信号隔离器。信号隔离器是依靠电磁耦合或光耦合来传送信号的，如图3-17所示。除此之外，还可以通过声波、超声波、机械振动等介质来传递信号。

供给绝缘触体部分工作的电源，也必须与其他电路绝缘，使用绝缘触体部分专用电池或DC—DC变换器。