医院环境下的电磁污染实验分析

吴 琴,陈颖曼

(南京信息工程大学江苏省气象传感网技术工程中心,江苏南京 210044)

医院环境下的电磁污染实验分析

吴 琴,陈颖曼

(南京信息工程大学江苏省气象传感网技术工程中心,江苏南京 210044)

以医院环境为背景,在相关电磁辐射实验的基础上,论述了电磁污染的具体危害及对医疗仪器和就医患者的影响,并提出了防治措施。基于有限元法(FEM),并结合电磁理论,初步形成了在复杂电磁环境下的EMC系统仿真。通过实验结果和理论分析的结合,揭示了医院环境电磁污染防治的必要性。

电磁污染;电磁兼容;有限元法;医院环境

随着新的医疗设备不断投入使用,医院电磁环境日趋复杂,电磁频谱拥挤、电磁干扰严重等问题逐渐凸显,医院渐渐成为高电磁污染源和高受污染对象。针对医疗仪器电磁干扰的电磁兼容问题,国内外对医疗设备电磁兼容性发布了一系列相关标准、建议和准则。其中具有代表性和权威性的有,美国食品及药品管理局(FDA)的管理经验与建议、辐射健康中心(CDRH)电磁兼容小组与医疗器械发展联合会(AAMI)共同制定的关于医疗机构中促进电磁兼容的全面指导性文件[1-3]。我国在2005年4月1日国家食品药品监督管理局批准发布了YY0505—2005《医用电气设备电磁兼容性要求和试验》[4]。

本文利用现场测试和理论分析的方法,探讨了医院特殊环境下的电磁辐射污染问题,研究的侧重点是电磁污染对于医疗仪器的影响和对于人体的危害。

1 医院环境中的电磁污染

1.1 电磁污染对人体产生的直接危害

由于需要达到一定的治疗效果,通常医疗设备的发射功率较大,在此环境中的工作人员会受到较强的电磁污染。由于电磁污染对于人体的影响具有严重的滞后性,以及电磁波的复杂性和电磁污染源的不确定性,难以明确地表明电磁污染对于人体伤害的具体程度。本文参照电磁波的相关理论来讨论电磁污染对于人体的影响,有等值透入深度θ计算公式:

式中:ω＝2πf为电磁波角频率,μ为人体组织磁导率,ε为人体组织介电常数,σ为人体组织电导率,E为电场强度。由式(1)可知,不同频率的电磁波透入不同人体组织的深度是不一样的[5-6]。

1.2 电磁污染对人体产生的间接伤害

由于医院环境的特殊性,患者就医时可能会产生一系列诱发性疾病。比如X光机、CT机成像等,必须面对高强度电磁辐射,而患者由于自身因素,可能会因电磁污染诱发新的疾病,对于孕妇及患心脑血管疾病的患者更加需要引起注意。

1.3 电磁污染对于医疗电子仪器的影响

电磁干扰可能使抗电磁干扰较差的诊断仪器性能变差,为医生提供失真的数据、波形及图像等医学信息,从而不能做出正确的诊断,严重的电磁干扰甚至会危及病人生命安全。

医疗仪器使用过程中会产生强电磁干扰,造成医疗仪器之间射频(RF)的互相干扰,而当医疗电子仪器过于彼此靠近时会造成在一个区域内的布线过于拥挤,产生工频(PF)干扰。医院内易受电磁干扰的医疗电子设备很多,如心脏节律器、医用遥测设备、生理信号感测或监视装置、核磁共振诊断摄影装置、电子显微镜、装有微处理器控制或数字线路的维持生命用装置等[7]。

2 测试情况

据调查,手机等射频设备的电磁波对于医疗电子仪器的影响比较普遍,为此本文有针对性地进行了现场测试。医院放射科属于高量电磁污染区,手术室属于高灵敏医疗电子仪器较多的区域,所以把实测点选择在放射科和手术室内。实验对象分别是IDC数字化摄影系统DR(X光机)和床边监护仪

2.1 X光机测试

测试参照物采用金属卷尺。测试点及测试距离选择:手机放在大约1.7 m的高度(手机在正常的使用过程中基本在此高度范围)、起始点是离X光机发射装置水平距离2 m的地方。测试时让手机处于通话状态,并可能地保证在X光机成像瞬间使手机处于通话接通时段(手机在接通之初的发射功率较大)。在确保不使医疗仪器造成过大或者是无法恢复的硬件性损伤的条件下,每次向机器水平移动0.25 m测试观察现象,并记录结果。该测试对仪器进行了4个基本方向、成十字型测试(标准测试一般要求对仪器进行8个方向,成米字型测试)。

测试时间的选择:医疗仪器不仅受特定某种射频仪器的干扰,在很大程度上也受周围整个区域电磁场的影响,为了有很好的对比性和说服力,在测试时间上,选择夜间0:00—2:00进行较小背景干扰下测试,上午8:30—11:00、下午2:30—4:00、晚上7:00—9:30左右进行较大背景干扰下测试。

实测图片见图1—图3。根据图例并结合实际情况,把实测图大致分为以下3类:

a类医疗仪器受到很小的手机射频设备干扰,对成像基本不造成影响,如图1所示;

b类医疗仪器受到一定的手机射频干扰,对成像有一定的影响,但对于医务人员施医不造成影响,或者说在成像时存在一定的伪影现象,但处于可识别的范围内;

图1 背景干扰较小,无手机干扰,正常成像

图2 测试时间下午1：30

c类医疗仪器受到较强的手机射频设备干扰,对成像造成较大影响,有较为严重的伪影,对医务人员的施医过程造成影响,如图2和图3所示,测试环境是背景干扰较大,另有手机干扰、大功率,近距离成像[8]。

以上都是手机在医疗电子仪器右边获得的测试图。大功率指X光机照射标准为75 k V560 m A50 ms,小功率指63 k V280 m A25 ms;远距离指手机距离医疗仪器水平距离为2 m,近距离指手机距离医疗仪器水平距离0.2～0.25 m。

2.2 手术室环境下的医疗仪器干扰测试

图3 测试时间下午4：00

实验对象:床边监护仪(BSM—73);干扰源:手术用电刀和手机;测试时间:上午10:00;实验环境:临床手术中。

测得的无干扰、正常工作情况下的信号见图4,手术室的医疗仪器在高频电刀干扰下的信号见图5。

图4 床边监护仪正常工作时的信号

图5 高频电刀干扰下床边监护仪的信号

高频电刀和床边监护仪实际距离为0.5～1.5 m,由于床边监护仪与患者需要有身体的接触,所以在高频电刀对患者操作的过程中必然要对床边监护仪的监测造成干扰。该类型干扰会使床边监护仪的输出波形产生高频杂波,当高频电刀停止工作后,床边监护仪能够恢复正常工作状态。

当手机靠近床边监护仪时(距离在20～50 cm)出现较强的干扰,如图6所示(手机离床边监护仪20 cm。)验证了RF设备对该仪器有较大的干扰,不仅出现杂波,而且使波形完全变形和大幅度的漂移。所以要控制手术室内所有RF设备(如微机、B超机、床旁X光机及无线网络等),并尽可能地使此类RF设备远离床边监护仪。

图6 在手机干扰下床边监护仪的信号

另外,当手机处于正常通话状态时,X光机的正常摄影成像过程也会对手机的干扰较大,造成短暂的通话质量大幅度下降。

2.3 讨论

手机等射频设备对于医疗电子仪器有一定的干扰,干扰程度与所处距离、方向、方位、天线方向、电磁波的频率、医疗仪器的发射功率大小以及机器的新旧程度等因素相关。

射频设备对于医疗电子仪器的干扰,与两者之间距离成反比关系,与发射功率成正比关系[9]。另外,与射频设备的天线方向(电磁波发射方向)有一定的相关性。通过测试,可以大致看出当手机天线处于横向并朝向X光机时要比竖向时的干扰要大。干扰程度在各种不同方位的测试结果略有差别。干扰还与机器的新旧程度有一定关联,因为机器的新旧程度将牵涉到机器的各方面屏蔽效果。

手机对医疗仪器的干扰,只是环境电磁干扰的一部分,或者说只是众多的外部因素之一,更多的干扰来源于医院周围整个区域的电磁场,在现实中的电磁干扰现象无法从一个个体的干扰因素中得到完整的分析。

同时由于电磁场的不稳定性和复杂性,导致测试结果不可完全重复,即使在一些可控制的条件完全相同时,也不可能完全重复。

3 基于FEM法的电磁污染的理论探讨

造成医院射频电磁污染的因素众多,而外部电磁污染是一个重要的方面,在形成外部电磁环境的各组成要素中,又受该区域内射频设备的影响为主,可看出这两者之间存在很大的相关性。本文根据FEM法,从理论的角度来分析电磁干扰对于医院环境的影响。

产生电磁干扰必须存在3个因素:电磁干扰源、耦合途径、敏感设备。电磁干扰源为微波源,用空间传播衰减来表现电磁波耦合过程,用屏蔽效能来反映敏感设备的影响程度。

3.1 电磁环境的理论描述

以300 MHz～300 GHz微波为例,此频段包括手机工作频率(GSM900、GSM1800及3G)。

微波功率密度S的表达式[10]:

设定天线增益G为0 d B,则上式可简化为

式中,E为电场强度(V/m),P－为发射机平均功率(W),r为天线与被测点距离(m)。当P取3.3 m W～2 W(手机发射功率)时对应的r＝0.3m;当r取值为0.25～3 m时对应的P＝2 W。用Matlab做出对应的仿真曲线见图7。

图7 电场强度随距离/发射功率变化图

由图7可知,在外部条件相同时,电场强度的大小与距离成反比、与发射功率成正比。为了验证这个关系,从表1[11]中手机辐射电场强度实测数据展开分析。

将表1中的电场强度单位由下式换算成国际单位(V/m):

由此可分别求出EV(V/m)和EH(V/m)

表1 GSM900 MHz移动电话辐射电场强度实测值(H、V分别表示接收天线水平和竖直方向)dbμV/m

图8 不同发射功率下E-r关系曲线

对比图7和图8可以看出,电磁波空间衰减的理论分析和实测数据大致相符。由此可推得:假定在空间任意一点处有一固定的发射源,则在空间其他点处的电磁场强度将随着这两点之间的距离延长而不断衰减。从理想空间出发,射频设备电磁波随距离的平方呈指数曲线衰减,但由于在现实环境中电磁波的传播过程中会叠加其他信号,使得本该衰弱的场强增大,即出现电磁辐射场强值不断起伏。

电磁场随距离增大而衰减的速度有一个由快变缓的过程。原因在于,离场点较近时,电磁场的强弱主要由场源决定,且随离场源距离的增加而迅速衰减,此结论可以从式(2)中得到;场点距离源的距离进一步增加时,电磁场相对较弱,由于存在电磁波叠加产生复合场强,电磁场趋于稳定,随距离变化缓慢。

3.2 电子仪器的电磁兼容性讨论

电磁兼容(EMC)包括:EMI(电磁干扰)、EMS(电磁耐受)两方面。

系统EMS主要表现为系统整体抗干扰能力,其中屏蔽是抑制辐射干扰的重要手段之一。为了定量说明一个系统屏蔽性能的好坏,必须引入衡量屏蔽效果的一些物理量,如传输系数T、功率耦合传输系数Tp、能量耦合传输系数Tw、屏蔽效能SE等,这些物理量本质是一样的,其中被频繁地应用于表示屏蔽效果的物理量还是屏蔽效能SE。电场屏蔽效能SEe和磁场屏蔽效能SEh分别为:

式中,Eo、Ho分别为屏蔽前电场和磁场的场强,Es、Hs为屏蔽后电场和磁场的场强。SE值越大,屏蔽效果越好。

影响SE的因素很多,要从理论上分析和仿真系统SE不是一件容易的事情。这里将SE分为静态部分SEa和动态部分SEr。一个系统在一定的外部电磁波环境下,其系统屏蔽效能SEa不变,即SEa恒定。当外部条件发生变化时,系统的屏蔽效能SEr相应发生变化,即SEr非恒定。

影响SEa的关键因素有屏蔽体导电连续性和穿过屏蔽机箱导体的材料,影响SEr的关键因素有干扰电磁波的频率和干扰设备的距离。涉及到的具体物理量有频率、功率、金属板厚度、相对电导率、相对磁导率等。

在建立系统模型之初,设定SEa待定条件,以此为基础,推导出影响系统SEr的因素及相互的关系。当系统屏蔽壳体距离场源r＞λ/2π时,可视为远区场。

根据屏蔽效果公式:

其中吸收损耗A为

反射损耗R为

再次反射损耗B在此可以忽略不计[12]。

组成R的电场分量RE和磁场分量RH分别为

则可推导出远区场中的反射损耗为

设SEa待定条件:相对电导率σr＝0.10、相对磁导率μr＝1、屏蔽壳厚度l＝1 cm。设SEr待定条件:频率f取值范围300 MHz～300G Hz、距离r取值范围(λ/2π～2)m,通过仿真得到屏蔽效能SEr随距离r(m)的变化及SEr随频率f(Hz)变化的关系见图9。

图9 动态屏蔽效能SEr随距离/频率变化曲线

分析图9可知,对于受干扰系统而言,当影响SEa的各因素设定,SEr的变化就容易被分析,即当干扰源的频率越高、离受干扰系统越远,SEr越大。相反则SEr值越小,越容易受到干扰影响。

3.3 EMC系统级仿真

仿真过程:高频电磁波经过调制发射,经过空间距离衰减和医疗仪器设备屏蔽,最终对医疗仪器的正常工作造成影响。

设定:干扰电磁波的频率f0＝900 MHz,受干扰设备工作频率f1＝10 MHz(医用超声测量仪工作频率)。

屏蔽前场强有

由式(3)SEe＝20lg(Eo/Es)推导出屏蔽后场强为

因此有

再根据波动方程[9]:

本文采用时间观察方式(定z＝0),则有

令E0＝Es,把Es代入式(10),则得到经过空间衰减并经过屏蔽后的干扰电磁波为一正弦波,即

发射信号是发射功率P＝2 W、f0＝900 MHz的电磁波,根据射频辐射电磁场抗扰试验国标GB/ T17626.3,将干扰信号经过1 k Hz信号调制,调制深度为80%,调制后场强波形见图10。设定敏感设备工作频率为f1＝10 MHz,其理想工作波形见图11。当干扰源与敏感设备距离r＝0.3 m时,系统干扰模拟仿真结果见图12。

图10 调制后电磁场场强波形

图11 敏感设备理想工作波形

图12 电磁干扰下敏感设备工作仿真波形

在图12中,明显的表现出了电磁波干扰的影响情况,即在正常的工作波形图上出现了高频杂波干扰。在仿真过程中,当对频率f、距离r、发射功率P等相关因素进行不同的赋值时,也会出现相应的干扰程度的强弱变化[13]。这与前面医院环境下的测试相对应。对图12的干扰仿真结果与图5的实测波形相比较,可以看出两者有相似之处,在正常工作波形上都叠加了高频成分。在理论分析和仿真干扰的整个过程中可以发现,其影响程度与干扰电磁波的场强、频率等因素有关。说明微波电磁干扰对于敏感设备有一定的影响。

基于FEM法来仿真整个电磁干扰过程,在一定程度上反映了电磁干扰的整个过程和影响程度,并可与实验情况相互对应,也大大地回避了电磁干扰仿真的复杂性,减少了计算量,有利于分析复杂条件下的电磁干扰问题。

4 结束语

近几年我国高精密医疗电子仪器在抗电磁干扰方面已有了长足的进步,在仪器本身屏蔽措施、布线技术、理论层次等方面均进行了很多研究和改进,并在使用条件和规章制度上医院方面也做了大量工作。不过距离电磁环保的要求仍有很多工作要做。

在电磁污染对于人体影响方面,特别是医疗仪器产生的电磁污染对于人体危害方面仍没有引起足够重视,应加强对于医务人员及患者的保护,对于不同频率不同波长的电磁污染应进行科学分析并采取相应的保护措施。从整体角度出发,在医院建设之初的规划、不同科室的电磁防护和抗干扰、整体布线、医院周边范围电磁场环境的预评估及周围建筑的城市规划等各个方面应有更多的考虑和安排。

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Experimental analysis of electromagnetic pollution in hospital environment

Wu Qin,Chen Yingman
(Jiangsu Technology&Engineering Center of Meteorological Sensor Network,Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 210044,China)

Taking the hospital environment as the background,this paper proposes the specific hazards of electromagnetic pollution existed in the hospital which will produce unfavorable effects on medical equipment and patients,and strengthens prevention and control of electromagnetic pollution on the basis of the actual test about the relevant electromagnetic radiation.Morever,based on the finite element method(FEM),the EMC simulation in the complex electromagnetic environment is initially formed with the theoretical analysis.Through the test results and theoretical analysis,it has revealed that there must take some measures to prevent the electromagnetic pollution in the hospital environment.

electromagnetic pollution;electromagnetic compatibility;finite element method;hospital environment

X591

A

1002-4956(2015)4-0072-07

2014-09-21修改日期：2014-11-06

国家自然科学基金项目(41175033/61302048);教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20123228120005);教育部留学归国人员科研启动基金项目“气象灾害应急联动的政策研究”

吴琴(1963—),女,江苏睢宁,硕士,助理研究员,研究方向为环境电磁兼容和科技管理.