医用电气设备电磁兼容整改中电磁屏蔽技术的应用

【摘要】本文阐述了医用电气设备电磁兼容测试、电磁屏蔽技术、屏蔽材料以及电磁兼容测试中电磁屏蔽技术的应用，选取发射试验无线电业务的保护（辐射骚扰）和抗扰度试验静电放电（ESD）进行案例分析，利用电磁屏蔽技术讨论整改措施，为医用电气设备电磁兼容整改提供新的思路。

【关键词】电磁屏蔽；医用电气设备；电磁兼容；整改；屏蔽材料

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.05.047

Application of Electromagnetic Shielding Technology in the Rectification of Electromagnetic Compatibility of Medical Electrical Equipment

LIU Peng1， WANG Hongyang1， CHEN Rui2

（1.Liaoning Medical Device Test Institute， Shenyang 110171， China； 2.China Taier System Laboratory， Beijing 100000， China）

Abstract： This article elaborates on the electromagnetic compatibility testing， electromagnetic shielding technology， shielding materials， and the application of electromagnetic shielding technology in electromagnetic compatibility testing of medical electrical equipment. It selects the protection （radiation disturbance） and immunity test electrostatic discharge （ESD） of radio services in emission testing for case analysis， and uses electromagnetic shielding technology to discuss rectification measures， providing new ideas for the electromagnetic compatibility rectification of medical electrical equipment.

Keywords： electromagnetic shielding； medical electrical equipment； electromagnetic compatibility； rectification； shielding materials

0引言

近年来，随着电子信息和电气技术的迅速发展，医疗机构中广泛应用了多种电子电气设备，包括有源医疗器械。这导致了电磁兼容问题的复杂性日益增加。在共同的电磁环境中，电子电气设备之间可能相互产生电磁干扰。考虑到医用电气设备的特殊性，其电磁兼容性问题需要特别关注。自我国实施强制电磁兼容检测政策以来，设备制造商对电磁兼容测试投入了极大的关注。在医用电气设备的早期研发和最终检测阶段，电磁屏蔽技术被广泛采用。本文将重点讨论如何应用电磁屏蔽技术来增强医用电气设备的电磁兼容性能，并提升设备检测的一次通过率。为了全面理解电磁屏蔽技术，本文将逐一讨论电磁兼容测试、电磁屏蔽、屏蔽材料、屏蔽措施以及屏蔽技术。

1医用电气设备电磁兼容测试概述

根据YY 9706.102—2021《医用电气设备第1-2部分：基本安全和基本性能的通用要求并列标准：电磁兼容标准解读》分为两大类：发射试验（EMI）和抗扰度试验（EMS），共有11个试验项目。其中，辐射发射、传导发射、电快速瞬变脉冲群和静电放电这四个试验最容易出现不合格情况，整改率较高。电磁兼容测试对试验场地有较高要求，其中辐射发射和射频电磁场辐射骚扰抗扰度要求在电波暗室内进行，传导发射可以在电磁屏蔽室或者电波暗室内进行，其他试验项目可在普通实验室进行。受试验场地限制，若被测医用电气设备在测试中未能达到标准而需要进行整改，这将不可避免地延长测试周期，并增加企业的测试成本，进而影响医用电气设备正常的评审与注册流程。

2电磁屏蔽

2.1电磁屏蔽的作用

有源医用电气设备在待机或者工作时会向外辐射电磁波，对周围的带电设备（包括医用电气设备）产生电磁干扰，医院经常发生多个医用电气设备在同一空间同时工作的情况。这些同时工作的设备会产生复杂的电磁干扰，如高频电刀在工作时会产生强电磁干扰，对手术室内其他设备的正常工作造成影响，尤其是监护设备。

电磁能量传输的两种方式为辐射性耦合和传导性耦合，可分别采用电磁屏蔽和滤波方式进行抑制。电磁屏蔽是利用导电或者导磁材料做成屏蔽体，对经过的电磁波进行反射、吸收以及通路分流疏导[1]，电磁屏蔽能够有效抑制或削弱电磁辐射能量的传播。在实际应用中，可以对辐射频率进行计算分析，找到辐射源以及选择相应材料制成屏蔽体，最后加工出屏蔽体。

2.2医用电气设备电磁屏蔽分类

根据电磁屏蔽原理分为：电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁屏蔽。

2.2.1医用电气设备电场屏蔽

电场屏蔽主要是为了防止电子元器件或设备间的电容耦合[2]，可分为静电屏蔽和交变电场屏蔽，其中静电屏蔽利用范围相对较广。医用电气设备通常采用金属屏蔽体的方式，且屏蔽体接地，完成静电屏蔽。静电屏蔽的两个条件：1）金属屏蔽体；2）接地。

2.2.2医用电气设备磁场屏蔽

根据电磁感应定律，变化的磁场会产生电流，变化的电流也会产生磁场。因此，变化的电流会产生磁场干扰，某些对磁场敏感的医用电气设备就会被干扰，如影像诊断类设备受到磁场干扰导致图像失真。磁场屏蔽是将磁力线封闭在屏蔽体内，抑制磁场穿过屏蔽体，为磁场提供低磁阻通路来分流磁场[2]，磁场屏蔽可有效抑制磁场耦合干扰。

2.2.3医用电气设备电磁屏蔽

电磁屏蔽是利用屏蔽体对电磁场传播进行有效抑制或者削弱的方法。反射衰减是指电磁波到达屏蔽体表面时发生反射的现象，吸收衰减是指电磁波进入屏蔽体时产生衰减的现象。

屏蔽层的特性阻抗决定反射衰减效果，应根据电磁骚扰频率选择屏蔽层的材料，为了达到理想的反射衰减效果，特性阻抗应与空气阻抗相差尽可能大[3]。吸收衰减的衰减效果由屏蔽层厚度和电磁波频率决定，电磁波在空气和屏蔽体内发生多次反射就会形成感应涡流，导致能量被削弱。

3屏蔽材料

3.1屏蔽材料的作用

屏蔽材料的作用是抑制电磁干扰，随着材料科学的不断发展，屏蔽材料的屏蔽效能显著提高。

3.2屏蔽材料分类

电磁屏蔽材料按组成分为3类：金属屏蔽材料、表面导电型屏蔽材料、填充复合型屏蔽材料[4]。

3.2.1金属屏蔽材料

金属屏蔽材料具有良好导电率和磁导率，其优点是易获取、屏蔽效果好，缺点是金属成本高、屏蔽波段固定及易腐蚀等。

3.2.2表层导电型屏蔽材料

表层导电型屏蔽材料是在设备表面贴金属箔或喷导电金属漆，该方法具有效果明显、易操作、导电性好等优点，缺点是可重复性差、耐久性差。常用的金属漆有碳漆、铜漆等。碳漆抗腐蚀性强、价格低、便于获取，被广泛应用。

3.2.3填充复合型屏蔽材料

填充型复合屏蔽材料是将绝缘橡胶材料、导电材料和其他助剂混合注塑而制成[5]。常用的有导电橡胶，与传统屏蔽材料相比，其具有成型快速、延展性好、化学性质稳定等特点。作为一种新型材料，填充型复合屏蔽材料已经被各生产厂商所重视。

4电磁屏蔽技术应用举例

电磁屏蔽技术在电磁兼容测试中至关重要，屏蔽材料的科学选择以及屏蔽体的合理设计能解决很多电磁兼容问题，生产企业在医用电气设备研发阶段往往忽视电磁屏蔽技术的运用，导致电磁兼容送检一次性通过率非常低，测试过程中整改会造成产品的注册周期延长。对于整改项，制造商要根据其原因提出整改方案，本文针对实际测试中最容易出问题的两个试验展开讨论，即无线电业务的保护（辐射骚扰）和静电放电（ESD）。

辐射发射试验可以测试医用电气设备对外辐射是否符合标准要求，试验方法以及选取测试限值要依据标准GB 4824—2019《工业、科学和医疗设备射频骚扰特性限值和测量方法》[6]。

测试结果超出限值时，可以从加强电磁屏蔽的角度进行整改，如果医用电气设备是金属外壳，可采用导电橡胶充分填充被测设备壳体缝隙，达到密闭缝隙的效果，并且加固金属外壳接地，最大限度地降低设备对外辐射；如果医用电气设备是非金属外壳，可以在壳体内侧贴金属箔或者喷导电金属漆，以达到屏蔽目的。

使用导电橡胶、金属箔或者导电漆进行屏蔽时，要注意医用电气设备外壳拼接处的缝隙，这个缝隙会成为电磁波对外辐射的“天线”，导致辐射发射试验不合格；在进行屏蔽时要保证不同材料表面有良好的接触，并保持一定的压缩量[7]。

依据静电放电标准GB/T 17626.2—2018《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》[8]，静电放电抗扰度试验分为直接放电和间接放电，间接放电包括水平耦合板和垂直耦合板，直接放电包括接触放电和空气放电。静电放电试验对被测医用电气设备内部电路的直接冲击较大，静电放电试验的一次性通过率不高，尤其带有触控屏的设备，对该试验极为敏感，容易出现花屏、死机等不合格情况。

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接触放电的放电点在医用电气设备的金属部件，作用电压为±2 kV、±4 kV、±6 kV，空气放电的放电点在医用电气设备的非金属部件，作用电压为±2 kV、±4 kV、±8 kV。静电放电具有能量高、宽频广的电磁骚扰特性[7]，干扰途径有两种：瞬态大电流直接放电、空间耦合间接放电。由于静电放电具有上升沿时间短、能量高、频谱广等特点，静电泄放路径中的长导线容易形成耦合磁场，影响设备正常工作。

静电放电的能量形式以共模为主，干扰最终会以电流形式流向大地，因此整改时可以考虑缩短泄放路径，即尽量减小静电接触点与接地点的距离，还可以对敏感元器件加强电磁屏蔽防护，隔绝静电干扰。静电干扰具有瞬时宽频属性，静电泄放路径如果环绕敏感电路会对此电路造成静电干扰，可以采用屏蔽罩与接地方式降低静电干扰。考虑到电路散热问题，设计电磁屏蔽罩包裹电子器件或内部电路时，屏蔽罩不能完全封闭，开孔尽量小以保证屏蔽效果，屏蔽罩的接地路径要短以保证静电干扰快速泄放。此外，还应注意屏蔽罩的延展性。

5结束语

综上所述，从医用电气设备电磁兼容测试、电磁屏蔽技术、屏蔽材料以及电磁屏蔽技术的应用这几个方面综合探讨电磁屏蔽，讨论了屏蔽材料的选取以及屏蔽罩的应用，本文论述的屏蔽方法具有普遍适用性，但是在实际应用中，屏蔽罩还要考虑散热口、进线口等问题，今后可以对屏蔽罩开口等问题继续深入研究。

电磁屏蔽技术在电磁兼容测试中应用十分普遍，医疗器械电磁兼容测试的11个试验项目都可以用到电磁屏蔽技术。本文以实际测试中最容易出问题的无线电业务的保护（辐射骚扰）和静电放电（ESD）为例对电磁屏蔽技术如何应用展开讨论，辐射骚扰属于发射试验、静电放电属于抗扰度试验，具有典型性和代表性，为医用电气设备电磁兼容整改提供新的思路。

【参考文献】

[1]姚淳，郭祥玉.电磁屏蔽技术探讨[J].电源技术应用，2005（4）：36-41.

[2]李雪，刘泰康，姜云.电磁屏蔽技术分析[J].电子工艺技术，2007，28（1）：49-51.

[3]王晓东，李峰.医用电气设备电磁兼容设计中屏蔽方法研究[J].中国科技纵横，2016（4）：188-189.

[4]陈影.电磁屏蔽材料的研究进展[J].黑龙江造纸，2015，43（2）：33-35，37.

[5]刘卫东.电磁屏蔽原理与电磁屏蔽材料[J].消费导刊，2014（8）：199-200.

[6]工业、科学和医疗设备射频骚扰特性限值和测量方法：GB 4824—2019[S].

[7]郑军奇.EMC电磁兼容设计与测试案例分析[M].北京：电子工业出版社，2018.

[8]电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验：GB/T 17626.2—2018[S].

【作者简介】

刘鹏，男，1985年出生，高级工程师，研究方向为有源医疗器械检验。

（编辑：侯睿琪）