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              進博會專題
              電子元件

              普家大咖說 | 醫療安全從電源開始

                2022年11月30日  

              醫療技術最要緊的是保護患者與醫護人員。因此,電源同樣必須遵守嚴格的安全規定。此外,現代化電源有助于營造安全、利于康復的環境。本文中,普爾世揭示了醫療技術能夠從機械和設備制造的經驗中受益的原因。

              電源必須盡可能安全高效地轉換電壓,并且應長年在極小空間內確保順利運行。機械和設備制造以及醫療技術行業都必須遵守這項基本原則。但是,滿足這些前提條件、庫品交貨的標準電源在上述前兩個工業部門中更為普遍。而醫療技術設備廠商則往往依賴客戶定制的推入式或面板安裝型電源。

              這些電源采用工業高標準且快速可用,尤其有利于醫院工程、建筑工程、實驗室技術及影像學診斷方面的醫療應用。PULS普爾世推出的醫用電源稟承機械制造傳統,在這兩大應用領域之間架起了橋梁。

              提高生命維持類設備的可靠性

              在機械和設備制造行業,可靠、壽命長往往對系統組件的選擇十分關鍵。許多機器的設計運

              行年限可達數年甚至數十年之久——這與醫療技術行業類似。但是在醫療領域,可靠性還具

              有另一項重要性,因為患者的健康和治療情況與可靠的系統息相關。

              普爾世還從這一事實出發研發醫用電源。其中的關鍵在于最大程度增加最短使用壽命和平均故障間隔時間 (MTBF)。普爾世詳細規定了這兩個值,并在每款電源產品的數據表中公布。

              其中,決定可靠性高、壽命長的關鍵是電源的轉換效率。電源轉換效率越高,功率損耗越低,因此電源內的發熱程度越低。這一點非常重要,因為電源內即使溫度僅上升 +10°C,也會使電解電容器的壽命減半。這樣的功率損耗盡管不一定會導致電源立即中斷,但仍然會影響整個電源的壽命。

              普爾世的醫用電源根據功率等級不同,能夠達到 94.3% 至 95.2% 的轉換效率。以下計算示例體現了這一數值的重要性:轉換效率為 95.2% 時(例如 CP10.241-M1,24V 10A),功率損耗為 4.8%。因此,輸出功率為 240W 時,輸入與輸出之間的功率損耗為 12.1W。這 12.1W 功率以熱能形式散發到環境中。將其與轉換效率僅為 91% 的電源相比,就能理解轉換效率的每一個百分點都至關重要。兩種轉換效率的差為 4.2%,似乎并不明顯,但會導致功率損耗幾乎翻倍,達到 23.7W。

              在試驗裝置中,普爾世將兩臺設備放在同樣的箱子中(容積 = 3.15L),在相同條件下(負載:8A/輸入電壓:230VAC)運行四小時。這段時間結束后,兩者溫差已達到 7.8°C。溫度升高不僅會影響電源本身,周圍的系統組件也會受到波及。

              除了壽命減少外,高溫也會使平均故障間隔時間 (MTBF) 變短。平均故障間隔時間 (MTBF)是指將特定數量設備運行特定長的時間時,經統計平均可能發生多少次失靈故障。只需看一個簡單的例子就能明白。例如,MTBF 值為 1000000 小時,表示當安裝有 1000 臺設備時,經統計每 1000 小時就會有一臺設備失靈。由于廠商在質保中排除了早期失靈的情況,因此沒有納入上述計算中。磨損效應對于平均故障間隔時間 (MTBF) 的計算同樣不重要,因為在使用階段不會出現因老化導致的失靈。

              對于醫用電源及工業電源,普爾世力求實現較長平均故障間隔時間 (MTBF)(例如 CP5.241-M1 在 24V,5A 及 40°C 下,根據 MTBF SN 29500 標準,為 867 000 小時,合約99年)。因此,這些設備非??煽?,故障率極低。

              最大程度降低噪音干擾

              醫用電源效率高,另具有一大優點。它能夠使用機械和設備制造領域已作為常規電源冷卻方式的被動對流冷卻。由于電源內整體產生的熱量較少,可通過具有降溫作用的氣流和鋁合金外殼將熱量排出設備之外。由此,設備無需風扇即可將熱空氣排出。整個功率范圍內皆是如此。

              這一事實對醫療技術十分重要。風扇一般會產生噪音,距離患者較近時,經常會被視作一

              種干擾。此外,風扇作為機械部件,常常免不了會失靈。

              相反,采用對流冷卻的電源則可以在背景中無聲工作。這有助于為患者營造利于康復的環境,此外還使運行免維護。

              醫療設計的新思路

              醫院和實驗室對衛生方面提出了相當高的要求。因此在設計醫療設備時,將盡可能摒除邊角和邊緣。由此,可以更輕松地對設備進行清潔和消毒。但是,圓潤的設計大大減少了電子裝置的可用空間。盡可能緊湊的電源再適合不過,并且為醫療設計帶來了新思路。

              由于轉換效率高,因此普爾世醫用電源的結構十分緊湊,并且仍然遵守患者環境要求的所有防護措施。由于需采用附加絕緣措施(如空氣間隙和爬電路徑較大),大部分醫用電源體積要比工業領域的同類產品更大。但是普爾世研發人員卻成功將醫用電源裝入其在機械和設備制造的標準電源中安裝的相同的外殼中。

              例如,僅需 39 x 124 x 117mm(寬 x 高 x 深)的外殼即可容納 240W 功率。由此,醫療技術同樣也能從機械和設備制造領域正在推進的系統組件微型化趨勢中受益。

              工業領域還有一項特殊特性正在越來越多的行業立足,那就是 DIN 導軌——也叫頂帽式導軌。將系統組件安裝在 DIN 導軌上的最重要的理由包括:安裝迅速,靈活性極高,可實現模塊化系統結構。由此,可將不同廠商的單個組件組合為一個在效率、性能和價格方面與應用相匹配的特制系統。DIN 導軌安裝的另一個優點是:用戶可將各個功率等級的電源固定在一個統一的安裝系統上。此外,這樣做還便于改裝或更換組件。

              防止觸電

              EN 60601-1 標準除了規定基本安全外,還著重涉及醫療設備的功能安全。對于電源而言這意味著:在醫院日常工作中,無論是正常模式下還是發生故障時,都必須防止患者與操作人員觸電。

              其最高防護等級為 2 MOPP(患者防護方法),旨在保障身體可能孱弱的患者的安全。在電源中,這是通過將空氣間隙和爬電距離相應設計得較大,在初級和次級電路之間設置較強絕緣層,并遵守規定的漏電流實現的。

              普爾世對其 CP 系列工業電源進行了修改,使其同樣滿足 2 MOPP 的醫療技術規定。這為廠商提供了更大的余地,使其確信能夠在患者附近使用電源,并且無后顧之憂。

              無需濾波器也能確保電磁兼容

              對于醫療設備,在對移動通信信號等外部輻射的電磁抗擾度方面提出了很高的要求。而醫療產品本身也不得對周圍裝置產生干擾影響。因此,同時還必須遵守對電磁輻射的明確規定??箶_度與輻射加起來就是電磁兼容,簡稱 EMC。IEC 60601-1-2(第 4 版)標準規定了醫療技術的極限值。

              這些規定不斷對醫療電源廠商提出了技術挑戰。在高頻噪聲及輸出紋波和噪音電壓作用下,許多開關電源都會在導線上及通過輻射導致電磁干擾。

              普爾世已經盡可能在電路設計內減輕干擾。由此,工業電源取得了非常優秀的電磁兼容值。

              不僅如此,普爾世對其醫用電源進行了進一步修改,確保無需采用附加措施(如外部濾波器)即可完全滿足 IEC 60601-1-2 標準規定的醫療技術電磁兼容測試(如針對發出干擾輻射的 EN 55011 B 類)。

              結論

              醫療技術設備廠商大多采用開架式電源。市場上提供的大部分獲得醫用許可的電源都是以這種結構為基礎。而普爾世推出的 CP 系列 M1型設備則采用了另一種方式。PULS普爾世在其久經市場檢驗的工業電源基礎上,建立了一個不斷擴大的醫療技術產品系列。目前提供了適合三種不同功率等級 120W (24V, 5A)、240W (24V, 10A) 和 480W (24V, 20A) 的解決方案。普爾世慕尼黑總部的研發人員在工作中的初衷是:將機械和設備制造的效率和可靠性與醫療領域必要的安全要求結合起來。結果是推出了不間斷、壽命長的緊湊型醫用電源,不僅使系統研發人員受益,還造福了用戶和患者。

              普爾世醫用電源:CP5.241-M1, CP20.241-M1, CP10.241-M1

              (來源:普爾世)

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