某型便携式心电图机航空适应性改造技术与应用研究

雍 伟，郭 磊，李法林，国 佳，张慕哲，薛兵杰，杜海波，江 琅

(空军特色医学中心，北京 100142)

航空环境适应性是产品在其服役周期内可能遇到的各种极限环境作用下，能实现其功能、性能和(或)不被破坏的能力，是航空产品的一个重要特性[1-2]。航空环境适应性是航空产品在其设计过程中的重要考量，也是最低要求，最终通过试验进行优化与验证[3]。在医疗救护飞机中，医疗设备种类多样，例如呼吸机、监护仪、吸引器、输液泵等。然而，目前的医疗仪器通常为地面用设备，受成本、周期与需求特殊性等因素影响，在设计研制阶段就将航空适应能力纳入其中的较少，从而对航空载荷环境的适应性较弱[4-6]。

航空环境适应性要求主要包括低气压、温度、盐雾、霉菌、振动、加速度、电磁等，研究人员为提高产品的航空环境适应能力，从设计、材料、元器件、工艺等各方面进行了大量的工作，积累了丰富的经验[7-13]。例如，某型航空电子防滑控制盒通过开展热设计、电子元器件降额设计、抗干扰设计等优化研究，显著提高其高低温、振动冲击等环境适应性与可靠性[14]。叶慧[15]从材料选择和结构设计两方面对民用航空驾驶舱控制板组件产品开展设计分析，提高了产品的航空机械环境适应能力。卢建红等[16-17]从涂层等新型航空材料上开展研究，提高航空产品的抗腐蚀能力。高晶晶等[18]针对航空开关中黄铜铆钉湿热环境断裂问题开展分析研究，探明了失效机制并提出了应对策略。

据统计，机载设备的产品故障中，有52%的失效是因为环境效应所引发[19-20]。对于便携类医疗设备，其小型化和轻量化设计大幅降低了设备尺寸质量，但也造成其结构件与电子元器件固有频率低、强度小，对航空环境敏感性更高[21-23]。在传统的航空适应性改造中往往主要关注强度问题。然而，对于心电图机、彩色超声诊断仪和数字X射线机等便携式测试仪器设备，既包含有玻璃触摸屏幕、锂离子电池等易碎易燃功能组件，又具有大功率、强辐射、高精度等性能特点，为其航空适应性改造带来了更多难题。

因此，本文选取改造特征与难点较为集中的某型便携式心电图机为典型案例，针对其航空环境下的工作能力下降等问题，开展航空适应性改造方法研究，探索形成一套医疗救护飞机便携式设备的关键设计方法、测试方法与工艺流程等，特别是针对玻璃屏幕等关键组件的改造技术进行研究，用于指导该类型其他医疗仪器设备的航空适应性改造研制。

1 问题分析

1.1 基本特征分析

本研究所选用的某型便携式心电图机主要由彩色LCD显示屏、按键面板、记录器、波形数据处理器等部件组成，可将每一次心动周期产生的心电流放大，并描绘记录成曲线，其性能的可靠性对获得伤病员心脏参数信息、诊断心脏疾病具有重要作用。该心电图机外形尺寸为236 mm×120 mm×322 mm，质量约3.9 kg，具有尺寸小、质量轻的便携式特征，但由于相对薄弱的机电结构以及外部供电需求，为其在机上复杂环境下的可靠与安全工作带来了挑战。

1.2 目标参数分析

便携式心电图机设备通常在地面环境中使用，工作环境载荷与储运条件较为良好。但若将其应用于医疗救护飞机中，必须满足飞机平台的航空载荷环境要求，主要包括振动、冲击、加速度、低气压、温湿度、电磁兼容等。我国当前的医疗救护飞机以螺旋桨飞机为主，其航空环境条件更为严酷，对机载设备的要求也更为严格。因此，在进行医疗设备的航空适应性改造前，必须参照GJB 150A、GJB 151A等军用航空标准[23]，通过对各项载荷条件进行适用性剪裁，确立改造研究的目标参数。表1列出了心电图机的原厂设备能力，并将其与裁剪的航空环境适应性要求参数进行了对比。

表1 心电图机原厂参数与目标参数对比

1.3 问题分析

依据医疗救护飞机勤务使用流程，心电图机属于飞行全程可能使用的设备，必须保证其环境适应能力能够完全覆盖医疗救护飞机任务剖面。从表1的对比中可以看出，心电图机原厂设备在设计上主要考虑地面级工作环境，主要依据医疗行业标准。对原心电图机进行实验室摸底试验和试飞试验时，还暴露出两大明显问题：①在振动冲击等载荷条件下，心电图机会发生连接件损坏、显示屏破碎、接插件松动等结构失效问题；②受飞机平台电磁环境与电源特性的干扰，导致心电图机的测试结果不准确，无法在航空环境中使用。

因此，该心电图机的低气压、振动、冲击、加速度、高低温等各项环境适应性能力均未达到航空环境要求，若未经改造，直接在医疗救护飞机中使用，不仅容易造成设备自身的失效与损坏，更会给飞机平台带来巨大的安全隐患。

2 改造工艺流程设计

2.1 改造原则

2.1.1 最小改动原则 航空医疗设备的改造应坚持最小改动原则，开展优化设计，避免过度设计，避免大幅增加原设备的尺寸、质量，影响产品的便携性特点。而且，增加过多的结构件与零组件，不仅会增加装配工艺难度，也会大幅降低设备的可靠性与可维修性。此外，飞机平台的承载能力有限，机载设备尺寸质量的减小，特别是大型机载设备，也有利于提高伤病员的运载能力，提高救治能力。

对于某些地面用医疗设备，虽然某些参数未按航空适应性标准参数进行标明，但是并不代表其实际适应性能力无法达到航空要求，因此，改造研究前开展摸底试验与筛选分析是必不可少的。

2.1.2 不降低原设备性能，且不改变其功能 航空适应性改造的目的是提升医疗设备的各项环境适应能力，使其达到航空环境使用要求。一般而言，航空适应性改造研究工程师并非原医疗设备的研制人员，甚至并非医学仪器专业领域人员，若盲目地改变原设备的功能，不仅存在安全性和可靠性降低的风险，而且不符合法律法规的。因此，航空适应性改造的基本宗旨是使医疗设备在航空环境下依然保持原有的各项功能，且性能不降低。

2.1.3 不干扰飞机平台，不损伤机载人员 由于航空环境的敏感性与特殊性，飞行安全是航空产品设计的最基本原则，也是医疗设备改造的底线。以往研究更多关注的是机载产品自身的机械与电磁等防护，较少考虑对飞机平台的影响。但随着机载医疗设备种类和数量的增多，救治能力不断提高，飞机平台的负载增加，交联也更加复杂。因此，必须保证医疗设备与飞机平台之间有着最低的交互影响，从机、电、氧、阻燃等各方面降低风险，降低机载设备对飞机平台的干扰，以及避免设备损坏对人员和飞机造成伤害。

2.2 改造工艺流程设计

通过以上分析可知，心电图机的薄弱环节与改造内容较多，因此需要首先对其改造工艺流程进行设计研究，最大限度地降低研制费用与研制周期。基于航空适应能力要求项目与摸底试验结果，将改造流程按照先整体后局部、由外向内的改造顺序开展(图1)。首先从航空力学适应性与电磁环境适应性能力方面对心电图机的机械结构与电气系统进行整体改造；然后，进一步开展低气压、高低温、阻燃性等改造研究，实现心电图机航空适应能力的全面提升；最终通过设备医学性能鉴定试验，确保心电图机改造后的功能未改变、性能未降低。

图1 航空适应性改造整体工艺流程图

3 关键技术方法研究

3.1 航空力学环境适应性改造方法

航空力学载荷环境主要包括振动、冲击、加速度等，通过力学试验摸底测试，发现了心电图机结构强度的薄弱位置主要为电路系统，包括塑料螺纹破损、显示屏破碎、接插件松动、大质量元器件断裂及螺纹连接失效等问题。因此，针对以上问题，从隔振设计与加固设计两方面开展航空力学适应性改造技术研究。

3.1.1 隔振设计 便携类设备在机载条件下主要为包装状态和工作状态，两种状态均不与飞机发生刚性固定连接。在包装状态下，可以设计专用的转运箱，在内部采用吸振泡沫材料填充，并在泡沫之上制作与设备相适应的开孔，以固定设备(图2A)，而且所采用的转运箱及泡沫填充材料又必须具有阻燃性，并需开展阻燃性测试试验。对于心电图机内部结构，可在电路系统固定螺栓处增加弹性垫圈进行整体隔振，同时，由于部分电路(例如电源电路、采集模块等)必须接地处理，需要对各固定螺钉进行鉴别并设计专用隔振垫片，保证其接地电阻值。

A：转运箱隔振设计；B：电路加固设计。

3.1.2 加固设计 心电图机的外壳和内部结构件均采用塑料材料，在振动、冲击等极限载荷下容易发生破损导致断裂破坏与连接失效，可采用金属套管对螺纹连接处进行加固。对于大电容、铁芯等大质量元器件，在冲击载荷下极易发生管脚断裂脱落，可设计固定支架对其加固(图2B)。对于接插件、螺纹、小质量元器件则可以采用传统的点胶方式进行加固与防松。

3.2 电磁环境适应性改造方法

电磁兼容改造的目的主要为抗干扰和屏蔽，目标要求较多，包括CE102/CE107、电源线音频传导敏感性、感应信号敏感性、射频敏感性、射频能量发射等项目。力学环境适应能力主要影响着设备自身与机载人员的安全，而电磁环境适应能力则对飞机平台的飞行安全也有着重要影响，因此，电磁环境适应能力往往更为重要，改造难度也更大。通过摸底试验分析，可以暴露出心电图机的电磁兼容问题，有助于进行问题定位与改造。本研究主要对关键的电磁辐射检测方法与抗干扰屏蔽方法进行介绍。

3.2.1 干扰源、传播途径与泄漏点筛查测试试验方法 为了确定设备电磁辐射泄露位置及发射频率等参数，需要对其开展干扰源、传播途径与泄漏点筛查分析(图3)。试验平台主要由频谱仪与手持式近场天线组成，利用手持式近场天线逐点扫描设备接缝、屏幕、按键、通风口等辐射发射窗口位置，同时利用频谱仪捕捉近场天线采集到的辐射信号，确定其频率与幅值，对比辐射发射试验结果，确定辐射发射超标点与辐射泄露位置。

图3 干扰源、传播途径与泄漏点筛查试验

3.2.2 抗干扰能力测试试验方法 为了测试医疗设备的抗干扰能力，本研究搭建了抗干扰试验平台对设备电源模块进行测试(图4)。通过可编程电源，在电源模块输入端叠加高频干扰信号，利用示波器采集电源模块输出，从而获得电源模块的防浪涌等能力，并进行改进设计。由于CS106以及GJB 181中的电源浪涌试验，会造成设备电源模块器件损坏，进而引起其他部件组件损坏，可以单独利用电源模块带模拟负载开展改造试验测试，从而保证设备的安全。

图4 抗干扰能力测试平台原理图

3.2.3 滤波与屏蔽能力改进方法 心电图机采用220 V交流电源供电，主机内有电源转换模块，经摸底试验发现，其传导抑制能力差、传导发射超标，外部干扰容易影响设备内部，无法满足航空适应性要求(图5)。

图5A所示的传导发射(CE102)试验结果表明，设备在低频段20 kHz和中频段690 kHz处有所超差，且在高频段8 MHz处出现极大值，这主要是由于设备中二次电源的AC/DC开关频率造成，因此可通过定制二次电源模块并进行电源滤波，增强其传导抑制能力。同时，为了获得更好的滤波效果，可在滤波器外增加屏蔽罩，并结合屏蔽线路与航空接插件来提高屏蔽效果。

图5B所示的辐射发射(RE102)试验结果表明，设备在低频段有所超差，在8 MHz附近超差较为严重，主要来源为设备屏幕、电路模块、按键等位置。在工程上，电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一，大部分电磁辐射问题都可以通过电磁屏蔽来解决，同时不会对医疗设备内部电路造成影响。因此，可通过在喷涂涂层设备机壳内部覆盖一层金属导电屏蔽材料实现壳体屏蔽。对于面板、背盖及电压接口处的诸多缝隙，则可采用电磁密封衬垫等方式进行处理，从而保证电磁屏蔽的完整性(图6)。

图6 喷涂工艺流程

3.3 液晶显示屏改造方法

心电图机的显示屏为LCD液晶玻璃显示屏，不仅易碎，也易造成电磁泄露。成为含屏幕类医疗设备改造的重点及难点。传统的屏蔽玻璃通常由“2层玻璃夹+1层屏蔽丝网”组成(图7)，但由于便携式心电图机尺寸紧凑，玻璃与显示器之间空间小，传统屏蔽玻璃无法安装应用。因此，需要通过结构设计与制造工艺技术研究，减小屏蔽玻璃厚度，同时又能达到屏蔽要求。

图7 屏蔽玻璃与屏幕剖面结构示意

通过测试试验，可采用“1层玻璃+1层屏蔽丝网+屏幕”的方式(图7)对显示屏进行改进，将屏蔽玻璃与屏幕进行压合处理，但由于制造难度较为复杂，还需对制造工艺过程进行设计优化。图8所示为该种特制屏蔽玻璃的制造工艺流程，需经过清洗、烘干、压合、排气泡、加压固化等多个流程。由于该工艺过程不可逆，一旦进行压合，屏幕与丝网粘结无法分离，而且加压固化过程需要准确控制压力、温度、时间等参数，否则会造成屏蔽玻璃与屏幕损坏。最终，经装配测试，以及力学、电磁兼容、高低温、低气压等环境试验测试，该屏蔽玻璃有效解决了心电图机空间小、强度弱、屏蔽效果差等问题，满足了各项航空环境适应性要求。

图8 屏蔽玻璃/屏幕生产工艺流程

4 试验验证与应用

按照以上方法和流程，从材料、结构、电气系统等各方面对心电图机进行了改造，最终顺利通过了振动、冲击、电磁兼容、低气压等实验室环境试验，以及医学鉴定试验与飞行环境试验的验证。环境试验前后检验结果对比可以看出(表2)，心电图机在改造前后的功能性能未发生改变，保持了原有产品的技术指标。因此，经改造后，心电图机可达到GJB 150A等军用航空标准的要求，满足了医疗救护飞机航空环境适应性要求。最终，本研究所形成的工艺流程与技术方法也成功在便携式彩超诊断仪等相似类型产品中得到了应用推广。

表2 环境试验前后性能参数对比

5 结束语

本文以心电图机为例，针对便携类医疗设备的航空环境适应能力进行改造设计与工艺方法研究，经实验室环境试验、医学鉴定试验与飞行环境试验的验证，达到了航空环境适应性要求。因此，本研究可得到以下结论：①针对振动冲击、高低温、低气压、电磁兼容等航空环境要求，建立了便携式心电图机的航空适应性改造技术方法与工艺流程，可为其他同类型设备的改造提供借鉴指导；②通过参数对比与摸底筛选试验，可以有效暴露出心电图机航空环境适应能力的薄弱位置，有针对性地进行材料、机械结构和电气系统的改造，提高了改造效能；③对于含有玻璃屏幕结构的便携式医疗设备，可采用“1层玻璃+1层屏蔽丝+屏幕”的特殊玻璃屏幕压合工艺技术，实现电磁屏蔽防护能力。