复杂电磁环境下卫生装备电磁兼容性研究

张亚冬，贾建革，赵 鹏，段新安，李岩峰，赵正男，王庆国，贾 瑞

复杂电磁环境下卫生装备电磁兼容性研究

张亚冬，贾建革，赵 鹏，段新安，李岩峰，赵正男，王庆国，贾 瑞

目的：研究分析军队卫生装备在战场复杂电磁环境下的电磁兼容能力。方法：首先分析信息化战场复杂电磁环境的构成，然后以国家军用标准GJB 151A—1997和GJB 152A—1997中的陆军装备通用要求为参考标准和方法，选择军队医疗机构常规配备的几类急救和诊断卫生装备进行电场辐射发射、电磁辐射敏感度、电源线传导发射和电缆束注入传导敏感度4项电磁兼容试验。结果：大部分受试设备均在30MHz～1 GHz之间的电场辐射发射和电磁辐射敏感度试验中出现了较为严重的问题，而传导发射和传导敏感度试验结果基本符合国军标要求。结论：国内军队现阶段配备的卫生装备在战场复杂电磁环境下功能正常性均受到不同程度的影响，应重视卫生装备在复杂电磁环境下的分析研究。

电磁兼容性；电磁干扰；卫生装备；复杂电磁环境

0 引言

当今时代，电子信息技术的迅猛发展及其在军事领域的广泛应用，开辟了与以往陆、海、空、天并列的第五维空间——电磁空间。在五维一体化的战场上，敌对双方的电子对抗武器和大功率雷达通信设备所共同产生的多类型、高能量、宽频谱、高密度的复杂电磁环境对处于其中的电子设备具有很大的破坏力[1]。与此同时，高集成电子电路在医疗领域的广泛应用使得现代医疗设备的高灵敏度、小型化和智能化得以实现，但也不可避免地带来了医疗设备抗电磁干扰能力的下降。特别是对于检测人体生物电生理信号的医疗设备，电磁干扰不仅可以影响其检测结果的准确性，严重时甚至会由此产生强电击，从而危及患者的生命。据美国食品药品监督管理局（food and drug administration，FDA）统计，在1973—1993年间，收到疑为医疗设备因电磁干扰而引发的事故超过100例，其中，被FDA认定的事故有电台FM发射的电磁波干扰监护仪最终导致患者因没能及时检测出心律不齐而死亡、移动电话使心脏起搏器运行异常等。在1995—2000年间，日本在抢救患者时，因有人使用移动电话发射电磁辐射而使输液泵突然发生误动作或直接停止工作的事故就有3起[2-3]。

复杂的战场电磁环境可以直接影响武器装备战斗效能的发挥和战场生存能力，但是卫生装备在复杂的电磁环境下能否正常运行且发挥其预期的诊断和治疗作用，目前尚无确切定论。国外有不少针对手机、射频磁卡等对医疗设备电磁干扰的研究，但是像在战场这种复杂电磁环境下卫生装备的电磁兼容性研究鲜有报道[4-5]。国内主要是在理论分析上，少数的试验研究也仅仅是做了单个设备的单项试验[6-8]。因此，开展卫生装备在战场复杂电磁环境下的电磁兼容性研究具有重要的现实意义。

1 战时卫生装备电磁兼容性问题

1.1 电磁兼容性的定义

国内外许多国标、军标以及民标中关于电磁兼容性的定义都包含以下内容：电磁兼容性（electromagnetic compatibility，EMC）是设备或系统在共同的电磁环境中能够一起正常发挥各自功能的共存能力，即设备既不会因为所处电磁环境中其他设备发射的电磁辐射而使其功能降级，也不会因为自己发射的电磁辐射而降低其他设备的功能。电磁兼容性包括电路模块、设备以及系统3个级别间的相互兼容，分为电磁干扰和电磁敏感度2个方面。电磁干扰（elec tromagnetic interference，EMI）是指由其他电子设备发射的电磁辐射通过某种传播途径到达敏感设备并引起该设备性能的降低。电磁敏感度（electromagnetic susceptibility，EMS）是指电子设备对其所在环境中的电磁干扰具有的抗干扰能力[9-10]。

国家军用标准《军队卫生装备基本术语》中对卫生装备电磁兼容的定义为：卫生装备在共同的电磁环境中能一起完成各自功能的共存状态。也就是装备在所处的电磁环境中能够正常执行规定的功能，同时又不影响其他装备正常执行其功能[11]。

1.2 战场复杂电磁环境的构成分析

未来陆、海、空、天、电五维一体的战场中，作战双方将大量使用电子武器装备，不仅数量庞大、体制复杂、种类多样，而且功率大、频谱宽。在激烈的电子对抗条件下产生的多类型、宽频谱、高密度且辐射总量越来越多的电磁辐射信号形成了一个新的且极其重要的战争要素——复杂电磁环境。一般认为战场复杂电磁环境主要由背景电磁辐射、军用电磁辐射和辐射传播因素3个部分组成（如图1所示）。

图1 战场复杂电磁环境构成因素

其中，背景电磁辐射是指不论战时还是平时都具有的电磁辐射，主要包括自然环境和民用通信等带来的电磁辐射。军用电磁辐射是战场特有的电磁辐射，主要指作战双方为了争夺电磁权而有意或无意发射的电磁辐射，这是战场复杂电磁环境的最主要构成。辐射传播因素主要是通过影响各种传播媒介的性质来对电磁波发生作用，从而改变电磁环境的形态特征[12-13]。

1.3 复杂电磁环境对卫生装备的影响

复杂电磁环境会对卫生装备造成干扰，使其检测结果偏差、运行失控、陷入瘫痪死机，甚至对直接接触装备的患者或医护人员造成强烈的电击伤害。例如：交变的电磁场可能通过电极线产生感应电流，淹没人体生物电信号，从而影响心电、脑电等检测结果；强大的电磁脉冲信号能通过孔缝进入到设备内部，击穿内部的电路元器件，从而对卫生装备造成不可恢复的损毁；较强的磁场干扰可能使显像管图像变形失真、X线球管和加速器射线发生偏移等。这些电磁干扰都可能影响卫生装备在战场上发挥其应有的功能，使伤病员失去及时有效的救治机会[14]。

2 卫生装备电磁兼容性试验方法

2.1 试验环境及设备

本次电磁兼容性试验选取的场地为军械工程学院静电与电磁防护研究所全军武器装备重点实验室，该实验室具备GJB 151A—1997所要求的完善的试验设施。试验中用到的关键设备有半电波暗室、吉赫兹横电磁波（Gigahertz transverse electromagnetic，GTEM）室、屏蔽室、频谱仪、发射天线、接收天线、信号发生器、功率放大器、电流注入探头、辅助计算机、线路阻抗稳定网络（line impedancestabilizingnetwork，LISN）等。

2.2 参照标准

本试验主要以电磁兼容国家军用标准GJB 151A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》和GJB 152A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》为参考，选取了陆军装备所要求的4项通用测试，即电场辐射发射、电磁辐射敏感度、电源线传导发射、电缆束注入传导敏感度。

2.3 受试设备

根据我军医疗机构常规配置的卫生装备情况，选取了几类较为常见的卫生装备，包括心电图机、多参数监护仪、除颤仪、B超机、麻醉机、呼吸机、高频电刀、超短波治疗仪、40mA X线机等。

2.4 试验步骤

（1）根据GJB 152A—1997中相关项目规定的方法，在半电波暗室、GTEM室或电磁屏蔽室内配置相应的试验设备，并进行校准试验。（2）将受试设备放置在试验台上，并通电预热，使其达到稳定的工作状态。部分设备如心电图机、多参数监护仪等的信号采集端口需连接到生理参数模拟发生器上，并将模拟发生器放置于屏蔽盒内。（3）按照要求设置相应的电场强度、扫描时间、扫描频率等参数。（4）从规定频率范围的最低点到最高点开始扫频，注意要根据不同的频率范围选择相对应的天线。（5）更换受试设备，重复上述试验步骤。

3 试验结果

3.1 电场辐射发射试验

试验过程中不同频段使用不同的接收天线，即2～30MHz使用有源拉杆天线，30MHz～1GHz使用对数周期天线，1～18GHz使用喇叭天线。对30MHz以上的频率，天线应取水平极化和垂直极化2个方向。根据使用天线的不同，将试验结果分为2～30MHz、30MHz～1GHz、1～18GHz3段显示。电场辐射发射试验结果见表1。

表1 电场辐射发射试验结果

其中，2～30MHz频段间有高频电刀和超短波治疗仪2台设备辐射超标，30MHz～1GHz频段间只有1台多参数监护仪合格，1GHz以上频段有1台便携式B超机辐射超标。可见，电场辐射发射试验的20台设备中只有1台多参数监护仪在整个频段内都符合要求，其余辐射发射超标主要集中在30 MHz～1 GHz频段之间。

图2是其中一台卫生装备的具体测试结果，直线是GJB 151A—1997规定的极限值，曲线是受试设备辐射发射的测试值。

3.2 电场辐射敏感度试验

在幅度为50V/m、频率为30MHz～2.5GHz的电场辐射敏感度试验中，15台受试设备只有2台B超机不受该强度的电磁干扰，合格率为13%。其他设备受电磁干扰出现异常的频率都是在1GHz以下，且当干扰信号停止后，所有设备都能自动或经过手动调控恢复到正常运行状态。也就是说，50 V/m强度的电磁干扰只是影响了卫生装备的正常运行，并没有对卫生装备的内部硬件造成击穿、烧毁等不可恢复的损坏。

图3是某型号B超机正常运行和受不同程度电磁干扰的运行情况，随着频率和场强幅度的变化，受干扰的严重程度有所不同。图3（a）显示了在没有电磁干扰时B超机可以很清楚地分辨体模内不同深度的影像。图3（b）显示了在受到频率为32MHz、幅度为2.8 V/m的电磁干扰后，屏幕出现了很明显的条纹，从而影响了诊断，且越深部位影响越严重。图3（c）显示了在频率为56MHz、幅度为15 V/m的电磁干扰下，出现了更为严重的异常现象，即整个屏幕出现失真。

图4显示了某型号心电图机在正常运行时受到频率为80MHz、幅度为50 V/m的电磁干扰时出现了严重异常，但是当电磁干扰信号停止后又自动恢复到了正常状态。

3.3 电源线传导发射试验

根据国军标要求，接受试验的4台不同类型的卫生装备电源线传导发射测试值都在规定的极限值以下。图5为其中一台卫生装备的具体测试结果，直线是GJB 151A—1997规定的极限值，曲线是受试设备电源线传导发射的测试值。

图2 电场辐射发射试验结果

图3 电场辐射敏感度试验结果

图4 受80MHz、50 V/m电磁干扰影响前后

3.4 电缆束注入传导敏感度试验

在对受试设备的电源线注入传导敏感度试验中，所有受试设备都能正常运行。但是对设备的信号线，如心电图机的某一根电极线注入干扰信号时，心电图机会出现明显的异常情况，且干扰主要出现在1MHz以下的频段。当干扰信号频率超过1MHz时，干扰现象逐渐消失。由此可见，卫生装备的电源线对注入干扰的抗干扰能力很强，而信号传输线对低频段的注入干扰较为敏感。图6是某型号心电图机的电极信号线在受到注入干扰时出现的异常情况。

图5 电源线传导发射曲线图

图6 电极线受注入传导干扰时的异常情况

4 结语

在以GJB 151A—1997和GJB 152A—1997为标准的电磁兼容性试验中，电源线传导发射都满足要求，说明该类卫生装备正常运行时不会通过电源网络对周围的其他电气设备造成电磁干扰。在电缆束注入传导敏感度试验中，所有设备对电源线注入干扰电流都不受影响，但是对信号电缆注入干扰电流则能引起很大的干扰，说明该类卫生装备的电源线对传导耦合的抗干扰能力较强，而信号线对传导耦合的干扰则很敏感，所以，应注意保护信号电缆不受传导耦合干扰的影响。在电场辐射发射试验中，几乎所有受试设备在30MHz～1GHz之间的电场辐射发射都超过了规定的极限值，而其他频段的电场辐射发射基本都满足要求。所以，要特别注意限制在30MHz～1GHz之间的电场辐射发射。在电场辐射发射敏感度试验中，主要问题都出现在干扰信号频率小于1GHz时，因此，在进行电磁兼容改进或者电磁屏蔽防护处理时，要高度重视该频段的防护处理。

由此可见，以民用电磁兼容标准为要求的卫生装备在未来日益复杂的战场电磁环境下，并不一定能够正常运行且发挥其应有的功能。因此，我们必须要高度重视各类卫生装备在复杂电磁环境下的电磁兼容性分析研究，确保战时卫生装备能够准确有效地运行。

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（收稿：2013-10-18 修回：2013-11-28）

Study on electromagnetic compatibility of medical equipment under com plicated electromagnetic environment

ZHANG Ya-dong1,2,JIA Jian-ge2,ZHAO Peng2,DUAN Xin-an2,
LIYan-feng2,ZHAO Zheng-nan2,WANG Qing-guo3,JIA Rui3
(1.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China;2.Institute for Drug and Instrument Control,Departmentof Health of General Logistics of the PLA,Beijing 100071,China;3.Institute of
Electrostatic and Electromagnetic Protection,Mechanical Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Objective To study and analyze the electromagnetic compatibility of military medical equipment under the complicated electromagnetic environment in the battlefield.Methods The constitution of the complicated electromagnetic environment in informatized battlefield was analyzed.Then,a series of electromagnetic compatibility experiments on firstaid or diagnostic medical equipment were taken according to the items on army general equipment in GJB 151A—1997 and GJB 152A—1997.The experiments involved radiated emissions,radiated susceptibility,conducted emissions on power leads and conducted susceptibility of bulk cable injection.Results In the frequency range between 30 MHz and 1 GHz,most of the equipment exceeded standards under the radiated emissions tests and could not run regularly under the radiated susceptibility tests.But almost all the equipmentmet the military requirements in the conducted emissions and conducted susceptibility tests.Conclusion Almost all existing Chinese military medical equipment may not run regularly in the battlefield because of electromagnetic disturbance,and thus the study on electromagnetic compatibility of medical equipment under the complicated electromagnetic environment has to be emphasized.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（7）：13-17]

electromagnetic compatibility;electromagnetic interference;medical equipment;complicated electromagnetic environment

R318.6；O441.4

A

1003-8868（2014）07-0013-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.07.013

全军医学科研科技攻关项目（08G162）

张亚冬（1985—），男，硕士研究生，研究方向为卫生装备质量控制检测装置及电磁兼容性，E-mail：zhydbb@163.com。

710032西安，第四军医大学生物医学工程学院（张亚冬）；100071北京，总后勤部卫生部药品仪器检验所（张亚冬，贾建革，赵 鹏，段新安，李岩峰，赵正男）；050003石家庄，军械工程学院静电与电磁防护研究所（王庆国，贾 瑞）

贾建革，E-mail：jjg1966@sina.cn