数字化手术室低压交直流供电网络的设计探讨

钱雷鸣，罗林聪，孙永和

(杭州市红十字会医院设备科，杭州310000)

数字化手术室低压交直流供电网络的设计探讨

钱雷鸣，罗林聪，孙永和

(杭州市红十字会医院设备科，杭州310000)

本文分析当前手术室供电网络存在的问题，提出了手术室中低压交直流电源配置的要求，根据要求设计数字化的低压交直流供电网络专供手术室中可直接接低压供电的设备，可以作为主供电源或辅助电源，对所提出的供电网络的原理及结构进行相关分析，并对日后的进一步研究作了探讨。

数字化手术室;医用低压交直流电源;UPS医用电源;交直流整流

随着数字化医院建设的推进，更多的信息设备进入到手术室，手术室的用电设备越来越复杂，对供电网络系统的要求更高，需要更高的电源安全防护。手术室设备复杂多样，而其中有很多设备是直接或间接低压供电，这就有必要对数字净化手术室设计一套低压供电网络，精细简化完善手术室供电网络系统，提高医疗设备电气安全。

目前，一间数字净化手术室所包含设备有: (1)基础类设备:基础照明，净化通风系统，医用吊塔、手术无影灯、电动手术床等;(2)手术麻醉设备:麻醉呼吸机，监护系统，各种电刀，内窥镜手术系统，显微手术系统，图形工作站以及辅助手术设备等;(3)数字信息设备:医疗信息系统(PACS，HIS，LIS，RIS，AMIS手术麻醉系统)，影像示教系统。

1 当前手术室供电网络存在的问题

根据手术室电源防护和医疗设备的电气安全要求，手术室的供电采用IT隔离变压器电源系统。最新的JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》第12．8．6条规定:2类场所用途相同且相毗邻的几个房间内至少配备一套医用IT电源供电(隔离供电电源)。数字化净化手术室内设备复杂多样，外部供电电源是AC220V，而其中有许多设备是间接低压供电或外接电源适配器变压后供电，如吊塔、无影灯、手术床、呼吸机、麻醉机、信息数字设备的采集设备或模块、显示器等。随着科技的进一步发展，手术室相关医疗设备小型化，装置模块化对电源部分将会有更高的要求。手术室内医疗设备根据电气安全的要求，应采用低压工作模式，工作电压一般为12V或24V。如手术无影灯和吊塔等采用外置的低压电源，手术室基础建设安装过程中一般将其开关电源或隔离变压器就近安装于设备附近，待基础建设完成之后一般被封闭于吊顶上面，这为日后故障检修带来很大的麻烦。采用低压直接供电就有效地避免了电源故障的检修，降低设备的故障率，提高手术室的医疗设备电气安全。本文提出一种数字化手术室低压交直流供电网络，解决改进当前手术室及临床手术出现设备供电网络和医疗设备电气安全的问题。

2 低压直流变换电路

当前，典型的交直流变换电路有推挽、半桥、全桥等。由表1可知，全桥变换电路的原边有四个开关管，其主电路及相关控制电路的复杂程度高，适合在中大功率场合应用。半桥变换及推挽变换的原边都是两个开关管，副边输出滤波器的工作频率是开关频率的两倍，将输入电压按照一定比例变压，无论在空载还是满载状态下输出电压都基本不变，一般最大输出功率1000W左右;而推挽变换的开关管的电压应力是半桥变换的两倍，同时变压器存在直流偏磁，所以采用开环控制、满占空比输出的半桥变换器作为交直流整流变换器。电路的后级采用Buck变换，如图1所示，采用同步整流方式获得较高的变换效率，各路独立闭环控制可以保证每路输出的稳压精度高，稳定性好，动态响应速度快。

表1 变换电路比较

图1 电源变换模块原理图

3 低压交直流供电网络设计

结合目前手术室的医用的IT隔离电源系统网络，基于常用手术室仪器设备的分析研究，对配置电源网络性能给出了如下的要求:(1)电源接近为恒压源，净化电压波动变化小;(2)电源的搭载负载能力强，满足临床手术使用设备的要求;(3)配DC12V/DC24V/AC24V可选接口，满足各种电源需求;(4)匹配的UPS装置，提供不间断的电源需求;(5)等电位联接，接地可靠性好。

低压交直流供电网络的系统结构(原理如图2所示)主要由交直流变换系统、UPS系统、低压配电系统及电路智能检测系统组成，输入电压经过交直流变换系统得到低压直流，再将该低压直流进行降压或者逆变换得到所需的电压。交直流变换系统有两路AC220V的输入，通过断电传感器自动切换输入线路，经过电源变换模块得到DC24V。系统中的UPS控制模块有确定电源变换模块的工作状态及检测UPS系统性能的功能，该子系统主要的功能是提供稳定的DC24V输出;UPS能提供该电网的断电支持，并具备实时显示UPS电量及定期自动充放电的功能，图3给出了UPS系统及控制模块的实现结构图。低压配电系统主要功能是变换产生所需的DC12V/DC24V/AC24V，漏电控制模块主要是防止电源接口存在漏电流对病人造成医疗事故。以上所有子系统网络运作都有电路智能监视系统的支持。

4 讨论

该系统主要应对手术室设备仪器电源故障和医疗设备的电气安全而设计的，也可应用到ICU、急诊等，由于设备的配置不同线路也做相应的改变满足临床需求。根据现代数字化医院(E-Hospital)的标准将电路智能检测模块引入系统中，能实时监测各个端口的状态，并第一时间检测接入设备的运行状态，及时响应网络中出现的意外状况，控制电路及总线集成技术是本系统的核心部分之一，所以要引入PLC、DSP、ARM或单片机等技术来进行数字信号的分析处理，要考虑系统的实时性、实用性、稳定性、有效性;恒压源是当前研究的热点，由于手术室设备种类繁多，功率大小差别大，如何设计一个有效的恒压电路输出符合各型功率的设备是日后要做的工作之一;医用电源有严格的标准，在系统中设计DC12V/DC24V/AC24V三个输出端口，其负极或零线如何做到联接等电位并在使用过程中是否接地有待进一步探讨。

图2 低压交直流供电网络

图3 UPS系统及控制模块

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