手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)輻射發(fā)射超標(biāo)分析

李 丹

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,醫(yī)療設(shè)備的電子化程度不斷提高,醫(yī)療設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題也越來(lái)越突出。自2014年1月1日開(kāi)始,國(guó)家強(qiáng)制實(shí)施醫(yī)療器械電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)YY 0505—2012《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2 部分:安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn):電磁兼容 要求和試驗(yàn)》。在醫(yī)療產(chǎn)品電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目中,輻射發(fā)射測(cè)試是重要的測(cè)試項(xiàng)目之一,也是產(chǎn)生問(wèn)題最多,最不容易通過(guò)的項(xiàng)目之一。筆者以某手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)為例,介紹了輻射發(fā)射超標(biāo)整改措施,并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證整改措施的可行性和有效性。

1 輻射發(fā)射測(cè)試要求

輻射發(fā)射測(cè)試主要測(cè)試電氣設(shè)備或系統(tǒng)在正常工作時(shí)對(duì)外界的輻射干擾強(qiáng)度,包括電路板、控制器、電纜等所有電氣部件的輻射干擾。將測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較,判斷被測(cè)試電氣設(shè)備或系統(tǒng)的輻射發(fā)射是否滿足要求,測(cè)試結(jié)果低于限值,則通過(guò)輻射發(fā)射測(cè)試,反之則不通過(guò)。

不同類型的產(chǎn)品有不同的輻射發(fā)射測(cè)試限值,要結(jié)合產(chǎn)品專用標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品類標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定。對(duì)于手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的輻射發(fā)射測(cè)試限值,依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4824—2013《工業(yè)科學(xué)和醫(yī)療(ISM)射頻設(shè)備 騷擾特性 限值和測(cè)量方法》的定義,手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)是第1組A類產(chǎn)品,應(yīng)選用第1組A類的限值進(jìn)行判定,要求見(jiàn)表1。以10 m距離測(cè)量為例,手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)額定輸入功率小于20 kW,頻段為30 MHz～230 MHz,輻射干擾準(zhǔn)峰值應(yīng)小于40 dBμV/m,頻段為230 MHz～1 000 MHz,輻射干擾準(zhǔn)峰值應(yīng)小于47 dBμV/m。

表1 手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)輻射發(fā)射測(cè)試限值規(guī)定

2 輻射發(fā)射測(cè)試布置

手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的輻射發(fā)射測(cè)試在10 m電波暗室內(nèi)進(jìn)行,測(cè)試方法[1]如圖1所示。將被測(cè)試設(shè)備放置在可360°旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)上,并且與轉(zhuǎn)臺(tái)保持良好絕緣。接收天線距離被測(cè)試設(shè)備10 m,可以在豎直方向上下1～4 m范圍內(nèi)移動(dòng),并進(jìn)行豎直極化和水平極化測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)要求被測(cè)試設(shè)備處于輻射發(fā)射最強(qiáng)的工作狀態(tài)下,機(jī)械臂連續(xù)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)航系統(tǒng)和光學(xué)定位系統(tǒng)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)輻射發(fā)射測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖1 手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)輻射發(fā)射測(cè)試方法

圖2 手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)輻射發(fā)射測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

3 輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果

手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)輻射發(fā)射測(cè)試波形如圖3所示。由測(cè)試結(jié)果可知,被測(cè)試設(shè)備在60 MHz、150 MHz、300 MHz、750 MHz、900 MHz頻點(diǎn)處發(fā)生輻射超標(biāo)。超標(biāo)最大點(diǎn)出現(xiàn)在900 MHz頻點(diǎn)處,超出標(biāo)準(zhǔn)限值約12 dBμV/m。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),在450 MHz和600 MHz頻點(diǎn)處也出現(xiàn)毛刺,并且與頻譜中出現(xiàn)的幾處超標(biāo)頻點(diǎn)呈倍頻關(guān)系。

圖3 手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果

4 原因分析

電磁干擾的三要素是干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備[2],只有三要素全部具備,才會(huì)發(fā)生電磁干擾現(xiàn)象。所以,在電磁兼容的整改措施中,總是想方設(shè)法去除其中的一個(gè)要素。在輻射發(fā)射測(cè)試中,接收天線是敏感設(shè)備,是客觀存在且不可改變的。由此,解決輻射發(fā)射超標(biāo)問(wèn)題,需要從干擾源和耦合途徑兩方面考慮。查找干擾源的方法有很多,可以根據(jù)設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品特點(diǎn)來(lái)選擇適合的方法。筆者使用的是看圖法和近場(chǎng)探頭法。

由輻射發(fā)射測(cè)試頻譜圖可以看出,超標(biāo)的信號(hào)為窄帶噪聲,且呈現(xiàn)出一定的倍頻關(guān)系,發(fā)生這種干擾的原因可能與系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘等產(chǎn)生周期性信號(hào)的器件有關(guān)。結(jié)合手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)分析可知,系統(tǒng)使用了數(shù)字視頻接口轉(zhuǎn)換模塊,根據(jù)數(shù)字視頻接口傳輸原理[3],當(dāng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)視頻顯示信號(hào)設(shè)置為1 920像素×1 080像素分辨率、60 Hz頻率時(shí),計(jì)算得到時(shí)鐘頻率為148.5 MHz,這一時(shí)鐘頻率與超標(biāo)頻點(diǎn)非常接近。由此可以初步確定,數(shù)字視頻接口轉(zhuǎn)換模塊可能是一個(gè)干擾源。

近場(chǎng)探頭法指通過(guò)頻譜分析儀的近場(chǎng)探頭在被測(cè)設(shè)備上進(jìn)行排查。如果對(duì)應(yīng)的頻段近場(chǎng)探頭測(cè)到的干擾比較大,那么很有可能輻射發(fā)射超標(biāo)與之有關(guān)。在手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行近場(chǎng)探測(cè)的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械臂軸關(guān)節(jié)處探測(cè)到較強(qiáng)的60 MHz～70 MHz輻射發(fā)射噪聲,這個(gè)干擾信號(hào)隨著機(jī)械臂負(fù)載的增大而增大。由此推斷,發(fā)生輻射發(fā)射超標(biāo)的原因與機(jī)械臂軸關(guān)節(jié)處的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器和控制器局域網(wǎng)絡(luò)通信線等電氣件有關(guān)。雖然這些電氣件置于罩殼內(nèi)部,但是因?yàn)檎謿榻?jīng)過(guò)噴涂導(dǎo)電漆處理的塑料材料,在罩殼的邊緣和金屬螺釘?shù)陌惭b處容易發(fā)生輻射發(fā)射泄漏。根據(jù)以上分析,60 MHz頻點(diǎn)輻射發(fā)射超標(biāo)可能與機(jī)械臂有關(guān)。另一方面,在數(shù)字視頻接口轉(zhuǎn)換模塊及其相連的線纜中,可以探測(cè)到150 MHz及其倍頻頻點(diǎn)的窄帶噪聲,由此可以確定150 MHz倍頻噪聲與視頻信號(hào)傳輸有關(guān)。

5 整改措施

5.1 視頻信號(hào)干擾源

對(duì)干擾源進(jìn)行屏蔽處理,將數(shù)字視頻接口轉(zhuǎn)換模塊放置在金屬機(jī)箱內(nèi)。箱體上的縫隙與屏蔽效能有很大關(guān)系[4],縫隙越小,金屬機(jī)箱的屏蔽效能越高。為了提高殼體的屏蔽效能,對(duì)金屬機(jī)箱的出風(fēng)口進(jìn)行蜂窩狀處理,如圖4所示。增加金屬板接觸面上的緊固件數(shù)量,提高接觸表面的平整度。在金屬殼體的出線處采用導(dǎo)電橡膠墊,利用導(dǎo)電橡膠材料良好的柔韌性,充分填充出線開(kāi)孔縫隙,并且用導(dǎo)電襯墊來(lái)改善接觸表面的接觸性能。

圖4 金屬機(jī)箱蜂窩狀處理

信號(hào)線選擇帶有屏蔽層的線纜[5],并且屏蔽層兩端與金屬導(dǎo)體完全接觸。不完全屏蔽如圖5所示,線纜屏蔽層兩端與金屬接頭沒(méi)有完全屏蔽,干擾信號(hào)從圈出部位向外輻射,對(duì)空間設(shè)備造成干擾。經(jīng)整改后,線纜屏蔽層與金屬接頭連接方式如圖6所示,實(shí)現(xiàn)屏蔽層與金屬接口的360°端接,確保內(nèi)部干擾信號(hào)不會(huì)向外泄漏。

圖5 不完全屏蔽

圖6 整改后線纜屏蔽層與金屬接頭連接方式

對(duì)干擾源做好屏蔽處理后,還需要對(duì)屏蔽體實(shí)現(xiàn)良好接地,這樣才能使被屏蔽的噪聲信號(hào)良好地流入大地,從而保護(hù)殼內(nèi)電氣件或線纜免于受干擾。為了減小殼體接地電阻值,將干擾源金屬外殼與系統(tǒng)的接地點(diǎn)用盡量短的銅芯接地線短接,保證所有的金屬外殼及支架可靠接地,避免采用出線搭接的方式。

5.2 機(jī)械臂

抑制機(jī)械臂軸關(guān)節(jié)干擾源輻射發(fā)射采取的措施是更換屏蔽性更佳的金屬罩殼。不同材料的屏蔽性不同,從金屬導(dǎo)電性、質(zhì)量、加工工藝等多方面考慮,根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比,最終選擇鋁合金材料制作金屬罩殼。對(duì)表面導(dǎo)電噴漆處理的塑料罩殼和鋁合金罩殼進(jìn)行近場(chǎng)探測(cè)對(duì)比,實(shí)物如圖7、圖8所示,測(cè)試頻譜截圖如圖9、圖10所示。由此可見(jiàn),鋁合金罩殼屏蔽效果明顯優(yōu)于塑料罩殼,在60 MHz頻點(diǎn)附近,輻射值可降低10 dB左右。

圖7 噴導(dǎo)電漆塑料罩殼實(shí)物

圖8 鋁合金罩殼實(shí)物

圖9 噴導(dǎo)電漆塑料罩殼測(cè)試頻譜截圖

圖10 鋁合金罩殼測(cè)試頻譜截圖

6 驗(yàn)證

整改后,手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果如圖11所示,符合YY 0505—2012標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 整改后手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果

7 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試,根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)和系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)分析,初步判斷干擾源,并利用近場(chǎng)探頭法實(shí)現(xiàn)定位。通過(guò)加強(qiáng)金屬屏蔽、更換屏蔽線、優(yōu)化接地系統(tǒng)等措施,完成了手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)輻射發(fā)射超標(biāo)的整改,使輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。除筆者介紹的方法外,適當(dāng)添加磁環(huán)[6],合理布局走線也可以有效抑制輻射發(fā)射。