Kromě napájení je nutné u lékařských systémů řešit také galvanické oddělení, svodový proud a tzv. dvojí ochranu pacienta (2 × MOPP - means of patient protection). Tato dvojitá ochrana znamená, že nedojde k ohrožení obsluhy ani pacienta, i když dojde k poruše napájení nebo zařízení. Kombinace požadavků na výkon, spolehlivost a dodržení příslušných lékařských norem činí z návrhu napájecího zdroje náročnou disciplínu. Tento článek se zabývá zdroji AC/DC v lékařských přístrojích a jaké normy musí splňovat, ab vyhověly legislativě. Poté představí napájecí systémy od CUI Inc., které jsou určeny právě pro bezpečné a spolehlivé napájení lékařských přístrojů.
AC zdroj nebo baterie?
I když se bateriově napájená a přenosná zařízení stala běžnými v mnoha oborech lidské činnosti, stále existuje mnoho aplikací, kdy je bateriové napájení buď nepraktické nebo dokonce nežádoucí. To platí zejména pro lékařské přístroje. Mezi důvody, proč zdravotnické systémy vyžadují napájení střídavým proudem čili ze sítě, patří:
- Vysoké požadavky na výkon, napětí nebo proud. Bateriové řešení by v tomto případě bylo rozměrově velké, těžké, nákladné a mělo by složité řešení pro dobíjení.
- Mnoho lékařských pracovišť má 12, 18 nebo dokonce 24 hodinové denní směny. Baterie by tak náročný režim nemusela vydžet.
- Dokonce i u systémů, které používají dobíjecí baterie jako primární zdroj energie, je nutné tyto baterie nabíjet, i když je systém v provozu. Během této doby musí AC/DC zdroj dodávat potřebnou energii.
Obecně by se pro tyto systémy měl hodit každý správně dimenzovaný standardní AC/DC zdroj s vhodným napětím a proudem. Požadavky na výkon splňují, ale nesplňují dodatečné normy kladené na zdravotnickouttechniku. Důvodem pro tyto dodatečné bezpečnostní normy je to, že pacient je často v přímém kontaktu se senzory, sondami nebo jinými převodníky, které mohou vést proud přímo do těla, a to představuje riziko významně vyšší, než náhodný kontakt.
Základy bezpečnosti
Úraz pacienta nebo obsluhy elektrickým proudem je způsoben proudem procházejícím tělem zpět ke zdroji. Pokud však tento proud nemá žádnou cestu zpět do zdroje, pak neexistuje žádné riziko, i když se osoba dotýká přímo živého vedení napětí. Až na velmi speciální výjimky má síťový AC/DC napájecí zdroj na vstupní straně izolační transformátor, který plní dvě role:
- Před usměrněním na stejnosměrný proud zajišťuje podle potřeby zvýšení/snížení síťového napětí.
- Zajišťuje izolaci vstupu/výstupu, takže neexistuje žádná cesta pro tok proudu přes uživatele zpět do zdroje. Tato ochrana je důležitá v případě závady, kdy se objeví napětí na povrchu zařízení (obrázek 1).
Obrázek 1: Izolační transformátor přeruší proudovou cestu z neutrálního vodiče k zemi. Takže proud nebude protékat uživatelem, i když dojde k poruše na zařízení a objeví se napětí na pouzdru zařízení. (Zdroj obrázku: Quora)
Proč je nutné mít přehled o protékajícím proudu?
Standardní síťové napětí (110/230 voltů; 50 nebo 60 Hz) přivedené na hrudník i na zlomek sekundy může vyvolat fibrilaci komor při proudech tak nízkých, jako je 30 mA. Pokud má proud přímou cestu do srdce, například přes srdeční katetr nebo jiný druh elektrody, stačí mnohem menší proud a to méně než 1 mA (AC nebo DC), který může způsobit fibrilaci. Standardní prahové hodnoty proudu skrz tělo jsou:
- 1 mA: Sotva znatelný.
- 16 mA: Maximální proud, který může průměrně velký člověk uchopit a následně „pustit“.
- 20 mA: Paralýza dýchacích svalů.
- 100 mA: Práh fibrilace komor.
- 2 A: Zastavení srdce a poškození vnitřních orgánů.
Úrovně se liší podle toho, kde dojde ke kontaktu s tělem, například přes hrudník nebo od paže dolů k nohám nebo přes hlavu.
Izolace transformátoru a svodový proudu
Svodový proud prochází dielektrickou izolací ať už v důsledku nedokonalé struktury izolace nebo v důsledku kapacitních proudů, které mohou procházet i mimořádně dobrou izolací. Svodový proud není nikdy žádoucí, zvlášť u lékařských aplikací je to mnohem vážnější problém. Zjednodušený model transformátoru ukazuje dokonalou galvanickou (ohmickou) izolaci mezi jeho primární a sekundární stranou na obrázku 2.
Obrázek 2: Tento základní model transformátoru ukazuje, že neexistuje žádná proudová cesta z primární strany na stranu sekundární. (Zdroj obrázku: Power Sources Manufacturers Association)
Žádný transformátor v reálném světě však není dokonalý a vždy existuje určitá primární a sekundární kapacita mezi vinutími (obrázek 3).
Obrázek 3: Realističtější model ukazuje základní kapacitu vinutí (Cps1) mezi primární a sekundární stranou. (Zdroj obrázku: Power Sources Manufacturers Association)
Ještě propracovanější model přidává další zdroje kapacity vinutí, jak je znázorněno na obrázku 4.
Obrázek 4: Kromě Cps1 existují další kapacity transformátorů . (Zdroj obrázku: Power Sources Manufacturers Association)
Tato nežádoucí kapacita umožňuje tok svodového proudu. Velikost svodového proudu závisí na velikosti drátu, vzoru vinutí a geometrii neboli uspořádání transformátoru. Výsledná hodnota se může pohybovat od pouhých jednoho pF až po několik µF. Kromě kapacitního svodu transformátoru jsou dalšími zdroji kapacit rozteče na deskách plošných spojů, izolace mezi polovodiči a uzemněnými chladiči a dokonce i parazitní kapacity ostatních součástek.
Svodový proud transformátoru není jediným problémem v oblasti lékařského napájení. Mnoho zdravotnických zařízení (tělesné senzory) pracuje s velmi nízkou úrovní signálu (například milivolty nebo mikrovolty). Takže je nutné mít pod kontrolou elektromagnetické rušení (EMI) a vysokofrekvenční rušení (RFI), obecně nazývané elektromagnetická kompatibilita neboli EMC. Příslušné standardy uvádějí maximální povolenou hranici EMI a RFI.
Standardy a možnosti ochrany (MOP – means of protection)
Primární normou upravující lékařskou elektroniku a bezpečnost je IEC 60601-1 – Lékařská elektrická zařízení – Část 1: Všeobecné požadavky na základní bezpečnost a základní výkon. Třetí vydání IEC 60601-1 upravuje výklad ochrany pacienta a ochrany obsluhy. Obsluha má například přístup k ovládacímu panelu, zatímco pacient může být „připojen“ pomocí sond.
Třetí vydání normy výslovně uvádí Proces řízení rizik popsaný v ISO 14971, který zahrnuje soubor řízení rizik, kde jsou identifikovány a posouzeny chybové stavy. Nedávno uvedené čtvrté vydání této normy jde ještě dále. Přidává aktualizace, které zohledňují technologické změny a rozšiřuje analýzu rizik a řeší reciproční obavy z EMC. Jinými slovy, standard nepoužívá větu: „Měli byste to udělat“, ale nyní vyžaduje posouzení a dokonce kvantifikaci příslušných rizik a způsob, jak je zmírnit.
Třídy ochran
Výrobek třídy I bude mít vodivé šasi, které je spojeno s bezpečnostním uzemněním. Proto je u produktů třídy ochrany I vyžadován vstupní napájecí kabel s ochranným zemnicím vodičem. Naproti tomu výrobek třídy II nebude mít ve vstupním napájecím kabelu ochranný zemnící vodič. Místo toho je zahrnuta druhá vrstva izolace pro ochranu obsluhy kvůli absenci uzemněného šasi (obrázek 5).
Obrázek 5: Zařízení třídy I vyžaduje pouze základní izolaci a uzemněné šasi, zatímco zařízení třídy II vyžadují další izolační režimy. (Zdroj obrázku: CUI Inc.)
Existují různé požadavky na ochranu MOP jako je insulation, creeping a isolation včetně toho, zda je požadavek pro MOOP (ochranu obsluhy) nebo pro MOPP (ochranu pacienta).
Izolace (Insulation) obvykle znamená použití hmatatelné bariéry ke snížení vodivosti, zatímco oddělení (Isolation) znamená oddělení na vzdálenost vhodnou pro příslušné napětí. Creeping je definován jako nejkratší vzdálenost mezi dvěma vodivými cestami měřenými podél povrchu pevné izolace. Nejkratší cesta se typicky nachází kolem konce pouzdra mezi vodivými piny nebo vodiči.
Obrázek 6: Různé prostředky ochrany a úrovně mají různé požadavky na jmenovité izolační napětí, svodový proud a izolaci. (Zdroj obrázku: CUI Inc.)
Norma definuje, která klasifikace je vyžadována v různých situacích. Například zařízení pro fyzický kontakt s pacientem, jako je monitor krevního tlaku, bude muset splňovat požadavky pro dvě ochrany MOOP a jednu ochranu MOPP.
Hotové napájecí jednotky
Externí stolní adaptéry
Mezi tyto adaptéry patří řada SDM65-UD, konkrétně 24 V SDM65-24-UD-P5 s proudem až 2,7 A (obrázek 7). Tato řada zdrojů patří do třídy II a používá se pro napájení/nabíjení notebooků a podobných zařízení. Nabízí univerzální vstupní rozsah 90 až 264 V s frekvencí mezi 47 až 63 Hz. Tyto adaptéry mají nominální výkon 65 W ( 12 V s 5 A až 5 voltů s 1,36 A). Tyto adaptéry jsou umístěny v plně uzavřeném izolačním pouzdru o rozměrech asi 120 × 60 × 36 mm, kde je viditelně umístěna indikační LED dioda stavu ON.
Obrázek 7: SDM65-24-UD-P5 je 24 V adaptér schopen dodat až 2,7 A, patří do třídy II AC/DC a je určen pro externí použití. (Zdroj obrázku: CUI Inc.)
Je nutné přikoupit vstupní dvouvodičový AC kabel, který odpovídá standardu IEC320/C8. Součástí adaptéru je stejnosměrný výstupní kabel o délce 150 cm. K dispozici jsou varianty se dvěma orientacemi polarity a s mnoha zakončeními včetně izolovaného pocínovaného drátu (obrázek 8).
Obrázek 8: Adaptéry v řadě SDM65-UD jsou nabízeny v několika variantách. (Zdroj obrázku: CUI Inc.)
Otevřené moduly
Řada VMS-550 zahrnuje adaptér VMS-550-48 s napětím 48 V a proudem 11,5 A. Zdroje v této rodině nabízejí až 550 wattů nepřetržitého výkonu s výstupy v rozsahu 12 V/42 A až 58V/9,5 A, s průmyslovým standardem 7,6 × 12,7 x 3,8 cm (obrázek 9).
Obrázek 9: VMS-550-48 dodává 11,5 A při 48 V (Zdroj obrázku: CUI Inc.)
Tyto zdroje třídy II obsahují korekci účiníku (PFC) a mají ztrátový výkon v pohotovostním režimu menší než 0,5 W. Jejich účinnost dosahuje až 92 %. Zdroje jsou schopné pracovat v teplotách od -40 °C do 70 °C a obsahují samostatný výstup 12 V/0,5 A pro chladicí ventilátor. Připojení střídavého proudu se provede pomocí dvouvodičového kabelu zakončeného protilehlým konektorem. Datový list obsahuje teplotní křivky a mechanické výkresy znázorňující uspořádání desky chlazení s montážními distančními podpěrami a šrouby (obrázek 10).
Obrázek 10: Mechanický výkres znázorňuje rozměry a montážní uspořádání vhodné chladicí desky pro napájecí zdroj VMS-550-48. (Zdroj obrázku: CUI Inc.)
Uzavřené jednotky
Řada VMS-450B zahrnuje 450 W zdroj VMS-450B-24-CNF, který poskytuje 18,8 A při 24V. Vstupní napětí se může pohybovat od 100 do 240 V AC. Zdroj má rozměry 127 × 86,6 × 50 mm a je dodáván s kovovým krytem, který umožňuje proudění vzduchu a zároveň snižuje EMI/RFI a poskytuje fyzickou ochranu jak pro zdroj, tak pro jeho uživatele (obrázek 11).
Obrázek 11: 450 wattový napájecí zdroj VMS-450B-24-CNF AC/DC dodává 18,8 A při 24V. (Zdroj obrázku: CUI Inc.)
Zdroje této řady mohou dodávat od 37,5 A při 12 V až 8 A při 56 V. Obsahují korekci účiníku PFC, samostatný výstup 12 V, 600 mA pro ventilátor a další samostatný DC výstup 5 V, 1 A pro napájení dalších komponent v aplikaci.
Závěr
Napájecí AC/DC zdroje pro lékařské aplikace musí splňovat velký soubor přísných norem. Zdroje, které splňují všechny příslušné normy, jsou k dispozici v širokém rozsahu jmenovitých výkonů a jsou dodávány v různých provedení včetně externího „desktopového“ stylu a také stylu „drop-in“ pro zabudování do konečného produktu. Výběrem jedné z těchto standardních jednotek se zbavíme všech problémů spojených s návrhem dodávkami, certifikací, konečným schválením a výrobou.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Schweber.
