方舱医院系统中的电磁兼容设计

黄 鹏，刘志国，祁建城

方舱医院系统中的电磁兼容设计

黄 鹏，刘志国，祁建城

目的：对方舱医院系统进行一系列的电磁兼容设计，用于对抗未来复杂电磁环境下的电磁干扰问题。方法：分析造成系统电磁干扰的因素，提出了分开放置干扰源与敏感设备、设置屏蔽空间隔离不同设备、利用良好接地保护敏感设备、使用滤波技术去除骚扰信号等措施，并通过电磁自兼容试验和外部射频电磁环境适应性测试对方舱医院电磁兼容性进行了检测。结果：通过电磁兼容仿真和试验检测，该方舱医院系统基本消除了由电磁干扰所引起各分系统或设备的故障及不容许的响应，达到了系统的电磁兼容要求。结论：该方舱医院系统的电磁兼容设计方案可满足野战条件下应急医疗救治机构电磁安全防护的需要。

方舱医院；电磁兼容；电磁干扰；系统布局；屏蔽；接地；滤波

0 引言

未来信息化战争将是一场争夺电磁空间的战争，能否取得制电磁权将成为战争胜负的关键。由于电子信息设备的使用量不断加大，战场空间中的电磁信号非常密集，使得战场电磁环境极其复杂。随着敌我双方电磁武器的激烈对抗，特别是非常规武器——电磁炸弹的使用，使得战场电磁环境更加恶劣，对电子设备的破坏力巨大，对卫勤装备的防护能力提出严峻挑战[1]。方舱医院系统根据第二代卫生装备体系，着眼于未来信息化条件下大规模联合作战和非战争军事行动卫勤保障需要，集医疗、救护、通信、保障于一体，由医疗方舱、通道方舱和保障方舱（含病房帐篷）等组成，主要用于野战条件下开设战役支援医疗救治机构，对伤病员实施分类后送、紧急救命手术、早期外科处置、早期专科治疗、危重急救护理、X线诊断、临床检验等，完成手术、急救、卫生器材灭菌、战救药材供应、卫勤作业指挥、远程会诊等，具有机动灵活、功能齐全、保障有力、防护性强等特点[2]。

方舱的主要功能就是保护舱内的各种设备，但由于方舱内部空间有限，集成的电子设备通过缝隙向外界辐射能量，使得局部电磁信号交叠复杂，容易产生电磁干扰耦合[3]。一旦产生电磁干扰，会使电磁兼容性较差的医疗设备性能降低，从而使得到的诊断信息失真，使医生不能做出正确的诊断，直接影响患者的人身安全。例如监护仪器出故障，输出波形失真；高频电刀氩气流量自动控制系统失灵，设备不能正常工作；呼吸机、心电监护仪等设备突然停止等。美国和日本均发生过因无线电辐射干扰使得医疗设备停止工作的医疗事故；广州的一名患者，因安装的心脏起搏器受到手机辐射干扰，险些失去生命[4]。由此可见，研究方舱医院系统的电磁兼容问题，提高医疗设备电磁兼容性，降低电磁干扰的风险，对于构建安全高效的信息化方舱医院具有重要的现实意义。

1 电磁兼容原理

电磁兼容是研究在有限的空间、时间和频谱资源等条件下，各种用电设备（广义的还包括生物体）可以共存，并不致引起降级的一门科学[5]。

电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备是形成电磁干扰所必备的3个要素，其电磁干扰过程为从电磁骚扰源发射电磁能量，经过耦合途径传输到敏感设备[6]。电磁干扰模型如图1所示。要实现电磁兼容，须从这3个基本要素对应的3个方面入手：针对骚扰源采取抑制措施，降低骚扰源的电磁辐射；针对耦合途径采取控制措施，消除或减弱不必要的骚扰耦合；针对敏感设备采取抗扰措施，降低设备本身对骚扰的响应。

图1 电磁干扰模型

2 电磁兼容设计的目的和要求

电磁兼容设计的目的是使所设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容，使系统性能不会降低，是系统效能得以充分发挥的重要保证[7]。必须在设备或系统功能设计的同时进行电磁兼容设计。

电磁兼容设计的要求是使电子设备或系统符合规定标准并且能在预期的电磁环境中正常工作，无性能降低或故障，也不会对该电磁环境造成污染[8]。也就是说在设计时要采用适当的措施控制系统内电磁干扰和敏感度，消除由于电磁干扰所引起各分系统或设备的故障及不容许的响应，并尽量排除不希望有的电磁发射和响应。

3 方舱医院系统中的电磁兼容设计

在方舱医院系统中，造成系统设备干扰的因素主要有2个方面：（1）方舱外部的电磁干扰。电磁干扰通常有2种传播方式，一是传导传播，通过电源线、通信接收天线和方舱间的信息传输互联电缆传入到舱内；二是辐射传播，通过舱体及舱体上的各种孔缝传到方舱内部[9]。（2）方舱内部的电磁干扰。由于舱内电磁环境复杂，不同类型的设备通过地线或信号线产生电磁耦合，从而干扰设备的正常运行。电磁兼容设计就是要从系统布局、屏蔽、地线、滤波等方面着手，减少或消除电磁干扰。

3.1 系统布局设计

电子设备向外界辐射的能量只有在一定的范围内才能被接收到，避开这一范围，可以使得敏感设备避免或减小干扰和被干扰[10]。因此，在电磁兼容设计时要根据整个系统的总要求，结合方舱内各个区域的功能特点，确定系统中电子设备的位置格局，使相对敏感的设备位置尽可能远离骚扰源。

医疗方舱和保障方舱上所使用的电气设备，首先要优先选用按设备和分系统电磁兼容要求进行设计并通过电磁兼容性试验、取得合格报告的设备。

其次，依据电磁兼容性问题对设备性能可能造成的后果、危害程度以及对遂行任务的影响程度进行分类，通常分为3类。第一类：使系统不能完成任务，以致危及安全的设备。第二类：使系统性能降低，以致影响任务完成的设备。第三类：仅造成噪声增加，使人有不适感，或增加医疗人员操作负担，或其性能下降但不影响系统效能的设备。

最后，根据设备电磁兼容性分类，分开放置强辐射设备与敏感设备，确保在同一功能区内相对集中布置同一分系统内的设备，从而控制电子设备之间的相互干扰。

3.2 屏蔽设计

屏蔽就是对2个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁场由一个区域对另一个区域的感应和辐射[10]。也就是说用屏蔽体将干扰源或敏感设备保护起来，防止干扰源干扰其他设备或是敏感设备受到干扰。

方舱医院系统所用的方舱，因为各自功能的不同，对电磁屏蔽性能的要求也各不相同。在GJB 6109—2007《军用方舱通用规范》中，规定了方舱的3个屏蔽等级能够达到的电磁屏蔽性能（见表1）[11]。手术方舱等医疗方舱可选用Ⅲ级屏蔽，而卫勤方舱因需使用卫星与外界沟通要选用Ⅱ级屏蔽甚至Ⅰ级屏蔽。

表1 方舱电磁屏蔽性能

所以，在进行屏蔽体的设计时，首先要选择合适的屏蔽材料。方舱舱体通常由内外蒙皮及中间发泡材料构成，当屏蔽等级是Ⅲ级和Ⅱ级时，其内外蒙皮可选用铝板；当屏蔽等级是Ⅰ级时，需要考虑低频时的屏蔽效能，外部蒙皮可以选择铝板，内部蒙皮可以选择钢板[12]。

其次屏蔽体应尽量减少开孔数量，并减小开孔面积。为保持舱内空气流通，方舱使用的通风口一般采用安装通风波导窗来进行电磁屏蔽。通风波导窗的屏蔽效果取决于波导窗波导孔径、波导长度等自身的屏蔽指标，故要根据屏蔽要求来合理设计波导窗的几何参数。如果方舱的屏蔽等级要求高，通风散热面积大时，一般宜选用钢制设备；为达到最大的通风量和最优的屏蔽效能，截止通风波导的波导孔径和长度一般都大而长。方舱舱体窗户的采光和屏蔽是相互对立的。舱体窗户通常采用金属丝网屏蔽玻璃来进行有效屏蔽，增加屏蔽玻璃夹层金属丝网的密度和厚度可提高屏蔽性能，但窗户的采光性降低，反之提高采光性则屏蔽性能降低。以当前的制作工艺来讲，屏蔽玻璃的屏蔽效能最大在40 dB左右，故在方舱的屏蔽等级为Ⅲ级时，通常不使用窗户进行采光。方舱门的电磁屏蔽关键在于减小门与门框之间的缝隙。方舱的舱门连接通常采取迷宫式铝型材，可在型材表面镀镍铁合金等高磁导材料，并以由内向外的方式，使用带橡胶芯的金属丝网防波套填充在门框四周与舱体门孔之间。

最后是要确保方舱舱体与各连接器件之间的导电连续性。在舱体的信号面板、电源面板开口处，可用加密铆钉、加衬垫、锡焊等方法来实现电连续问题；通风波导窗和采光窗则采取加衬垫、焊接等方法来实现窗体与内蒙皮的电连接；方舱的门与门框采取加衬垫、焊接等方法来实现与屏蔽体之间的导电连续性，特别要注意门框的型材表面的清洁，以保证接触面有较好的耐磨性和导电性。

通过以上方法可对方舱医院系统外部的电磁干扰进行有效的屏蔽，内部则采取了局部电路屏蔽的方法，将敏感电路与其他电路分开，并根据之前的电子设备电磁兼容危害影响，将第三类设备安装在机柜或机箱内，使得内部电磁辐射不能外溢，外部电磁辐射不能进入。

3.3 地线设计

所谓地一般定义为电路或系统提供的一个参考等电位点或面，它可以是实际的大地，也可以是设备的外壳或其他金属板线[6]。接地是指电路或系统与地之间建立的低阻通路。接地属于线路设计的范畴，对产品电磁兼容性有着至关重要的意义。解决电磁干扰问题最廉价和有效的方法就是在设计的一开始就考虑布局与地线。

根据不同的要求，接地的作用也各不相同：

（1）保护地。建立大地与设备之间的低阻抗通路，使雷击电流、静电放电电流或者设备中存在漏电电流时，有优先通路直接流入大地，不致影响设备的正常工作和危及操作人员的安全。

（2）工作地。提供一个共同的参考电位，使电路和设备根据需要连接到这个共同的等电位点或等电位面，确保各部分电路均执行正常功能。

（3）屏蔽地。为了获得最大的屏蔽效能，滤掉无用的信号，以及控制内部噪声和外部骚扰而提供的最低阻抗通道。

在方舱医院系统中，需要对方舱内各种屏蔽罩、电源线设置保护地，对主要设备电缆设置工作地，对天线馈线、开关电源设置屏蔽地，并且这几类线缆相互绝缘。同时在机柜中也相应地设置相互绝缘的地线，分别与舱内的接地系统相连。

3.4 滤波设计

滤波是抑制骚扰源与敏感设备之间传导耦合骚扰的最有效方法，它允许某一频率范围内的信号通过，而对其他频率的信号或骚扰给以很大的衰减。

常用的滤波器分为2种：（1）电源线滤波器，它既能衰减经电源传入的骚扰信号，又能抑制设备本身产生的骚扰信号。（2）信号滤波器，它能滤除导线上各种不需要的高频骚扰成分，从而避免骚扰穿过屏蔽体以及电路互连线之间的相互骚扰[7]。

实际使用中，还得注重滤波器的安装质量，只有正确的安装才能获得预期的效果。故在滤波器的使用时还应注意以下事项：

（1）安装在设备或屏蔽壳体的电源入口处的电源线滤波器需屏蔽，以防止因滤波器自身功率骚扰设备。

（2）滤波器也要有良好的接地，以防止因耦合产生骚扰。

（3）滤波器的输入和输出引线之间应予以屏蔽，更不得往返交叉，否则会产生耦合导致滤波器抑制特性下降。

在方舱医院系统中，在方舱电源的入口处加装电源线滤波器，在设备机柜加装不间断电源（uninterruptible power supply，UPS），与空调、照明等其他用电设备分开，以减少方舱内电源线上的传导骚扰；在方舱的天线接口处加装信号滤波器，消除由天线馈线导入的电磁骚扰，同时还要考虑信号滤波器对天线性能的影响。

3.5 仿真设计

为进一步完善电磁兼容设计方案，使用FEKO软件建立了方舱医院系统的仿真模型，对方舱的门、窗、通风口进行了模拟仿真[13]。在模型外部设置不同频段的远场平面电磁波，并施加电压和电流激励，模拟显示方舱内部的电磁环境场强分布情况。外部施加300 MHz的电磁波未采取干扰措施时的3D效果如图2（a）所示，图中红、黄、绿、蓝、深蓝的颜色区域表示电磁场强度从强到弱的分布。外部施加300MHz的电磁波未采取干扰措施时的2D效果如图2（b）所示。

从图2可以看出，方舱的舱体能屏蔽一定的电磁波干扰，约为22 dB左右，但是因门、窗、通风口未采取适当的措施，使得方舱内部还存在较大的电磁干扰。安装通风波导窗、屏蔽玻璃、金属丝防波套后，外部施加300 MHz的电磁波采取干扰措施时的3D效果如图3（a）所示，外部施加300MHz的电磁波采取干扰措施时的2D效果如图3（b）所示。

通过仿真可以看到，采取干扰措施后，方舱的屏蔽效果在40 dB左右，性能得到了较大的提升。

图2 方舱未采取干扰措施时电磁场效果图

图3 方舱采取干扰措施时电磁场效果图

4 试验结果及结论

为检测方舱医院系统的电磁兼容性，在半电波暗室进行了电磁自兼容试验和外部射频电磁环境适应性测试。测试现场布置如图4所示。

图4 方舱系统电磁自兼容试验现场布置图

依据《方舱医院系统电磁兼容性大纲》及GJB 1389A—2005《系统电磁兼容性要求》，电磁自兼容试验主要是在不同状态下对方舱内处于典型使用工况时的敏感设备进行监测并判断是否能够自兼容；外部射频电磁环境适应性测试则是被测方舱内所有分系统及电气设备处于典型工作状态，由电场发生装置产生规定场强的电场，通过发射天线将干扰电场施加至被测方舱，考核其设备和线缆是否由于外部辐射场的耦合形成干扰信号而使系统产生敏感现象[14]。其测试布置如图5所示。

图5 外部射频电磁环境测试图

当测试参数在10kHz～2MHz时，其场强为25V/m；当测试参数在2 MHz～18 GHz时，其场强为50 V/m。其测试曲线如图6所示。

测试结果表明，方舱医院系统当外部不加干扰时，各方舱系统能够兼容工作；当外部施加干扰时，在个别频点，视频监视器图像显示出现短暂消失现象，停止施加干扰后可自动恢复图像显示，这是由于视频监视器的电缆线屏蔽性能较差，导致受到耦合干扰，还需要进一步改进。

图6 外部射频电磁环境测试曲线

试验表明，方舱医院系统使用多项设计手段，基本符合电磁兼容设计要求。电磁兼容设计是方舱医院系统设计的关键环节，必须在系统研发之初实施，并贯穿全程。下一步为使舱体的屏蔽效能在10 kHz～18 GHz的范围内能够达到60 dB这一目的，需从设备的选型、系统的集成等方面来限制系统的电磁干扰，从而保证系统工作的安全性和可靠性。

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[14]GJB 1389A—2005 系统电磁兼容性要求[S].

（收稿：2014-12-07 修回：2015-04-03）

全军第十六届放射医学学术大会征文通知

经中国人民解放军医学科学技术委员会批准，2015年全军第十六届放射医学学术大会暨军队与广东省继续医学教育项目在广州召开。

主办单位：中国人民解放军放射医学专业委员会

承办单位：广州军区广州总医院、广州军区放射学分会

大会主题：创新驱动与整合发展，拟通过军地资源整合，推动军事医学影像学变革与科技发展进步。

时间安排：2015年10月8日全天报到，9—10日开会，11日14：00前撤离

报到地点：广州市同人宾馆，订房电话：020-62739888

标准间收费：340元/天

大会注册费：800元，授予继续医学教育学分

会议地点：广州军区广州总医院科技文化活动中心

征文内容：（1）基层医院放射科医技护和医教研的管理经验；（2）影像诊断技术与研究新成果；（3）医学影像学发展思路及经验交流；（4）数字医疗设备维护及医学防护管理体会。

稿件以电子文本进行投稿，要求：摘要字数控制在800字以内，形式：目的、材料与方法、结果与结论。

投稿邮箱：gzqjfsxh@163.com或gzzyosx@163.com，投稿邮件确认由刘盼丽秘书（15521054520）和麦秋仪秘书（18826405262）负责。

截稿日期：2015年9月26日

欢迎军地同行积极投稿并参会指导。

（全军第十六届放射医学学术大会筹委会）

关于医学论文标题的撰写要求

1.题名应准确、简明，反映文章的核心内容。一般使用能充分反映论文主题内容的短语，而不使用具有主、谓、宾结构的完整语句，最好不用标点符号。中文题名一般不宜超过20个汉字。

2.论文标题一般不设副题名。确有必要时，用冒号将副题名与主题名分开；或者用与主题名字体、字号不同的文字排印副题名，以示区别。采用后一种编排格式时，在目次表中主题名与副题名用“：”隔开。

3.题名用词应有助于选定关键词和编制题录、索引等，尽量避免使用非公知公认的缩略语、字符、代号等，也不应将原形词和缩略语同时列出。题名中的外文人名要用原文。

（本刊编辑部）

Design of electromagnetic compatibility in shelter hospital system

HUANG Peng,LIU Zhi-guo,QI Jian-cheng
（Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjing 300161,China）

ObjectiveTo explore the electromagnetic compatibility in the shelter hospital system to adapt it to the future complex electromagnetic environment.MethodsThe factors for electromagnetic interference were analyzed,and some measures were put forward including separating the interference source from the sensitive device,setting up shielding space,applying grounding measures,eliminating interference signals by filtering and etc.The electromagnetic compatibility in the shelter hospital system was detected through electromagnetic self-compatibility test and electromagnetic environmental suitability test for external radio frequency.ResultsSimulations and tests proved that the failures and mal-response due to electromagnetic interference were avoided in the shelter hospital system.ConclusionThe electromagnetic compatibility scheme can meet the requirements of emergency medical facilities for electromagnetic protection in field conditions.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（9）：1-5]

shelter hospital;electromagnetic compatibility;electromagnetic interference;system layout;shielding;grounding;filtering

R318.6；R197.39

A

1003-8868（2015）09-0001-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.09.001

军队重大专项课题（AWS11Z005-2）

黄 鹏（1977—），男，博士，主要从事电磁兼容设计方面的研究工作，E-mail：15320186911@163.com。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（黄 鹏，刘志国，祁建城）

刘志国，E-mail：liuzhiguo_s@263.net