一种集成化的医疗现场安全性测试系统及方法与流程

本发明涉及一种集成化的医疗现场安全性测试系统及方法。

背景技术：

医用电气设备的特征是仪器和人体密切相关联。多数医用电子仪器为了取得人体信息或给人体某种作用，要将仪器和人体紧密地连接到一起工作。如像胃镜检查和心脏导管检查，要在一定时间内把仪器放入人体内，也有像埋藏型心脏起搏器那样的，需要长期放置在人体内。医用电气设备的工作对象是患者，而患者可能处于非常脆弱的状态；或患者可能意识到危险，或者不能判断出危险，或即使感到危险也不能摆脱；或有的患者所患疾病本身对外界刺激的抵抗力降低，有的由于诊断和治疗，外来的刺激很容易引起更不良的影响。例如，心脏病人用很小的电流就会引起心室颤动，在插入心导管的情况下，即使是微小电流也容易因电击引起心室颤动。当存在循环障碍，加的热不能迅速散开时，即使在较低温度下，也容易引起低温热伤。

当几台医用电气设备同时联在一位患者身上进行组合使用时，就不仅仅是各仪器本身所存在的安全问题，还有因组合使用而派生出来的新问题。仪器组合使用时，最容易引起电击危险。仪器单独使用时都达到了规定的标准，但一旦组合起来就有可能超过容许值范围，还有电流从体表流入，通过躯体，再从体表流出而产生的强电击，它伴随有引起心室颤动和二次事故的危险。当特大能量的治疗机和精密的医用电气测量仪器并用时，精密测量仪器受治疗机输出的影响不能进行测量或者发生错误输出和错误动作，造成仪器损坏，间接地危及患者的安全。在依靠精密医用电气设备的测量数据进行诊疗的情况下，测量仪器的输出信息不准确和失真，是危及安全的重要问题。

电能质量是影响医疗电气设备安全运行的重要因素，电能质量目前还没有一个统一的定义，国际电工委员会IEC标准对电能质量是这样定义的：电能质量是 指供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。所谓电能质量实质上是各种单一的扰动和不平衡现象的总和在电网中的集中体现，它强调的是电网与用电设备之间的相互影响。电气与电子工程师协会(IEEE)定义电能质量为：电能质量的合格是指提供给敏感设备的电力和装置的接地系统能够使得该设备工作正常。

医疗设备的运行要使用交流电,国家电网的电力供电系统持续向医院输送大量的电能。在理想的电力供电系统中,电能是以恒定频率(50Hz或60Hz)和幅值的三相平衡正弦电压向医院供电,然而实际运行中的电力供电系统会受到污染,甚至被严重污染,我国电力污染的严重程度绝不亚于环境污染。社会工业化进程迅速加快(冶金工业、化学工业及电气化铁路等大型设施的发展)加剧了电力污染的传播；电力供电系统中的非线性负荷、冲击性负荷使电力网的非线性(谐波)、非对称性(负序)和波动性日趋严重,输送到医院的三相电压的幅值、频率及相位差不再保持恒定,波形不再是单一正弦波。电力污染导致的电能质量下降,使医疗设备的安全运行指数显著减少,医疗设备的故障率明显增加,严重影响了临床诊治工作。

电能质量下降有两种情况:一种是大范围的，涉及到整个医院；另一种是同处于某个用电支路的几个科室。当电力供电系统输送到医院的是受到污染的电力时,电能质量的下降对全院所有医疗设备产生的影响是共性的,涉及面广,发生故障的医疗设备品种和数量都多,这是第一种情况。第二种情况是医院内施工、改造、装修时许多用电量大的施工机械无序地乱接电源,造成局部用电支路电能下降,连接在该支路上的医疗设备就会受到严重影响:大吨位的提升机开启时,导致一台全自动生化分析仪的工作瘫痪；大功率的卷扬机使检验科的血气分析仪等数台设备无法工作；一台高档的彩超正在给病人做心脏检查,同一楼层进行装修施工的切割机、电焊机等全部上阵,病人还没检查完,彩超机就发生故障了,机内一块价值10几万元的信号处理板坏了。

电力污染的现实在我国还没有得到普遍认识,电能质量问题的严重性更没有受到重视,一旦供电电能质量较差，极易引发医院里医疗设备一次又一次地发生故障,使得工程师们无数次地奔波在各科室为设备排除故障,大量的人力、物力和 资金都消耗在这种故障的事后处理上了。严重的造成数据丢失、硬件损坏,尤其使得对电能质量敏感的医疗设备的安全运行指数显著降低,医疗设备的故障率明显增加,严重影响了临床诊治工作。

随着各种先进医疗设备的引进与使用，各种电子电路和电力电子技术在现代医院的应用，生物医学工程在现代化医院中所起的作用越来越重要。医疗设备的更新换代日新月异，因而造成医院的电磁环境发生了极大变化，如果缺乏适当的防范措施，新设备系统的正常运转可能受到潜在谐波干扰的威胁，进而降低新设备带来的效益。

由于医疗设备的信号普遍较弱，如果受到干扰，就会在检测结果(如波形、图形、图像)上叠加一种类似于某些病变的畸变(谐波)造成误诊，同时还会引起微电击，严重时还可能造成被检查者的生命危险。如果是带有计算机系统的医学仪器设备，当共模干扰中的尖峰干扰幅度达到2—50V，时间持续数微秒时，可引起计算机逻辑错误、信息丢失等。强磁场会使显像管、X线影像增强管显示图像变形失真；加速器射线偏移；计算机磁盘、磁卡记录数据破坏；呼吸机工作失灵；心脏起博器工作失效等。

由于部分医院的用电管网老化以及新建医用建筑对新增医用电气设备及系统对于电磁环境的要求没有做出相应的考虑，致使新型医用电气设备必须对其电磁兼容性做出全面考虑并进行可靠性设计。2007年4月1日正式开始实施的医疗器械的强制性行业标准YO505一2005《医用电气设备第1一2部分:安全通用要求一并列标准:电磁兼容一要求和试验》中对医用电气设备提出了3项发射实验和7项抗扰度实验，而产品抗千扰的抑制方法主要有三种，即接地、屏蔽和滤波。这三种方法在电路和系统的设计中不仅具有其各自的独特作用，而且又是相互关联的:良好的接地可以降低设备对屏蔽和滤波的要求，相反的，良好的屏蔽也可以使滤波的要求低些，而滤波本身可以同时减少设备的传导干扰并提高设备的抗扰度。

在保障医用电气设备安全运行的应用技术方面，现在普遍采用的是针对设备本身的接地、屏蔽及滤波。比如对于采用高频工作方式的医用电气设备，如高频电刀、超短波治疗仪、电场治疗仪等，在其高频电路部分采用多点接地方式能有效地降 低其电磁干扰，不仅能实现人员的人身安全保护，同时还可以起到泄放掉机箱上的静电电荷和提高设备工作稳定性的作用。磁场干扰对于大多数设备来说是不敏感的，但是对于像核磁共振成像系统、电子显微镜、生物脑电波扫描仪等医用电子系统则可能产生严重的影响。医用电气设备和系统中对工频磁场和甚低频磁场的屏蔽主要采取对敏感器件用铁磁性材料包起来的设计方式。并利用金属材料(如金属机箱屏蔽体)的反射衰减和吸收衰减机理可以起到阻止电磁场在空间的传播。而电源线滤波器的采用可以同时抑制由相线、中性线导入地线的高频干扰(即共模干扰)和由相线导人中性线的高频干扰(即差模干扰)。

我国对医疗器械管控非常严格，建立了一系列的强制性国家及行业标准，对医用电气设备从设计到生产流程到质量检验到使用规程都有较高的要求。但是标准主要针对的是医用电气设备本身以及其初始的工作环境，而对于设备使用过程中可能发生的外界环境变化以及设备老化后可能造成的外部影响很少顾及。同时，医用电气设备安装使用后，其每年的检定工作一般会在现场完成，对于一些大型的设备更是如此。而目前涉及到的医用电气设备的检定装置基本都是实验室仪器，便携性不足，使医用电气设备的检定工作难度加大，甚至于被忽略，也一定程度上对医疗电气设备的安全运行带来隐患。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种集成化的医疗现场安全性测试系统，本发明的测试系统集成了电能质量分析、漏电流检测、接地电阻检测和耐压检测，采用小型化、模块化设计，能同时对医疗设备用电环境及医疗设备自身的电气性能进行检测，操作简便，集中管理控制。用以解决现有针对医疗现场的测试装置采用单一检测的方式，操作繁琐，无法统一集中管理，便携性差，使医用电气设备的检定工作难度加大，甚至于被忽略，也一定程度上对医疗电气设备的安全运行带来隐患的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种集成化的医疗现场安全性测试系统，所述的测试系统包括用于对医疗电气设备进行高电压测试的耐压测试模块、用于对医疗电气设备进行漏电流测试的漏电流测试模块、用于对医疗室内电能质量进行检测的电能质量分析模块、用于测量医疗电气设备内部接地电阻的接地电阻检测模块， 以及用于输入检测信号的键盘模块、用于在存在安全隐患时报警的报警器和用于对上述各模块的检测信号进行分析处理的控制计算机，所述耐压测试模块、漏电流测试模块、电能质量分析模块、接地电阻检测模块的信号输出端均通过接口适配器与所述控制计算机的信号输入端连接，用于将检测数据发送至控制计算机，所述控制计算机的控制输出端分别驱动连接耐压测试模块、漏电流测试模块、电能质量分析模块和接地电阻检测模块，用于根据键盘模块输入的检测信号，输出检测指令驱动相应功能模块的工作，所述的控制计算机还驱动连接报警器。

根据本发明所述的集成化的医疗现场安全性测试系统，包括显示器，所述的显示器连接在控制计算机的驱动信号输出端。

根据本发明所述的集成化的医疗现场安全性测试系统，所述的电能质量分析模块包括电压输入采样电路、电流输入采样电路、采样保持电路、A/D转换电路及单片机，待测电网电压信号经过整流滤波处理后，接入所述电压输入采样电路的输入端，所述的电压输入采样电路的信号输出端通过采样保持电路连接A/D转换电路的模拟输入端，A/D转换电路的数字输出端连接所述单片机的数据输入端口，所述的单片机的数据输出端口通过具有红外线光耦隔离的RS232或RS485接口与所述控制计算机的信号输入端连接。

根据本发明所述的集成化的医疗现场安全性测试系统，所述的电压输入采样电路采用电阻分压电路，且所述电压输入采样电路的输入端连接补偿电容，用以提高采样瞬变信号的能力。

根据本发明所述的集成化的医疗现场安全性测试系统，所述的漏电流测试模块主要由漏电流测试电路、采样电路、放大电路、A/D转换器、比较器、控制电路和单片机组成，所述的漏电流测试电路的输入端连接待测试电气设备的漏电流测试端，检测待测电气设备的漏电流信号，所述测试电路的输出端连接采样电路，采样电路的输出端通过放大电路连接A/D转换器的模拟输入端，A/D转换器的数字输出端输出经过AD转换后的数字漏电流信号，所述A/D转换器的数字输出端连接单片机，所述单片机的信号输出端连接所述的控制计算机，所述比较器的一个输入端连接A/D转换器的数字输出端，所述比较器的另一个输入端接入预设漏电流信号，所述 比较器的信号输出端连接控制电路，用于将测试的漏电流值与预设漏电流值进行比较，并根据比较结果输出控制信号到控制电路，所述控制电路的信号输出端连接控制计算机。

根据本发明所述的集成化的医疗现场安全性测试系统，所述的接地电阻检测模块由电流发生器、电阻测量电路、A/D转换器和单片机组成，所述的电流发生器用于产生测试电流，所述电流发生器的信号输入端连接控制计算机，所述电流发生器的信号输出端连接电阻测量电路的输入端，所述电阻测量电路的输入端还连接待测电阻的两端，所述测试电路的输出端通过A/D转换器连接单片机，将测试数据存储在单片机的存储器内，所述单片机的输出端连接控制计算机，所述控制计算机的控制输出端连接电流发生器；

所述的测试电路将测试电流信号和流经被测电阻上的电流产生的电压信号进行交直流转换，得到被测电阻的阻值，若测量电阻值大于报警值，则控制计算机控制报警器报警，若测试电流过大，则模块报警的同时切断测试电路，以保证被测电气设备的安全。

根据本发明所述的集成化的医疗现场安全性测试系统，所述的耐压测试模块用以评估电气设备各个隔离部分之间绝缘屏障的性能，所述的耐压测试模块进行高电压测试是将高电压施加于被测试的隔离屏障两边，测试电压的大小根据额定电源电压下正常工作时，隔离屏障所承受的电压来决定；

所述的耐压测试模块包括升压电路、电流测量电路、采样电路、A/D转换器和单片机，所述的升压电路连接在被测试的隔离屏障两边，所述电流测量电路的输入端连接在被测电路中，所述电流测量电路的输出端通过采样电路连接A/D转换器的模拟输入端，所述A/D转换器的数字输出单连接单片机，所述单片机的输出端连接控制计算机，所述控制计算机的控制输出端连接升压电路。

本发明的目的还在于提供一种集成化的医疗现场安全性测试方法，本发明的测试方法将电能质量分析、漏电流检测、接地电阻检测和耐压检测集中在一个测试系统中，采用小型化、模块化设计，能同时对医疗设备用电环境及医疗设备自身的电气性能进行检测，操作简便，集中管理控制。用以解决现有针对医疗现场的测试采 用单一检测的方式，操作繁琐，无法统一集中管理，便携性差，使医用电气设备的检定工作难度加大，甚至于被忽略，也一定程度上对医疗电气设备的安全运行带来隐患的问题。

为实现上述目的，本发明采用的方案是：一种集成化的医疗现场安全性测试方法，步骤如下：

(1)在控制计算机内设置各功能模块，即耐压测试模块、漏电流测试模块、电能质量分析模块和接地电阻检测模块的检测参数预设值；

(2)通过键盘模块选择需要的检测功能，输入检测信号至控制计算机，由控制计算机根据检测信号发出检测指令给相应的功能模块，驱动对应的功能模块工作；

(3)各所述的功能模块在完成检测后，将检测数据存储在各功能模块自身的存储器内，在需要时，由控制计算机进行调用，同时所述的功能模块将实时检测数据发送至控制计算机；

(4)所述的控制计算机将检测数据与其内部存储的检测数据的预设值进行比所较，如果检测数据的大小超过了所述的预设值，则判定检测的医疗电气设备存在安全隐患，并发出报警信号。

根据本发明所述的测试方法，所述的测试方法将检测数据通过显示器显示，便于工作人员查看。

根据本发明所述的测试方法，所述的测试方法将各功能模块通过接口适配器与控制计算机连接，各功能模块均独立设置，在进行安全性测试时，根据检测需要随时更换功能模块。

本发明达到的有益效果：本发明通过对医疗室内电能质量的检测，评估医疗设备的安全运行状况，同时针对经过长期使用的医疗设备的电气安全性能的检测，确保仪器使用过程中避免对人体的伤害。

本发明针对医疗室现场，集成了电能质量分析、漏电流检测、接地电阻检测和耐压检测，能同时对医疗设备用电环境及医疗设备自身的电气性能进行检测，操作简便，集中管理控制。

根据检测对象或目标的不同设计独立的测量模块，并建立统一的数据接口，按 需更换，实现一机多能，采用了模块化、小型化的技术，所述的检测设备具备便携式的特点，无论是人际交互界面还是硬件接口都简便实用。

附图说明

图1是本发明测试系统的结构原理图；

图2是本发明电能质量分析模块的结构原理图；

图3是本发明电能质量分析模块电压采样端的电路原理图；

图4是本发明漏电流检测模块的结构原理图；

图5是本发明漏电流检测模块的测试回路的电路原理图。

图6是本发明的接地电阻测试模块的结构原理图；

图7是本发明耐压测试模块的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所述的测试系统包括用于对医疗现场的电气设备进行高电压测试的耐压测试模块、用于对医疗电气设备进行漏电流测试的漏电流测试模块、用于对医疗室内电能质量进行检测的电能质量分析模块、用于测量医疗电气设备内部接地电阻的接地电阻检测模块，以及用于输入检测信号的键盘模块、用于在存在安全隐患时报警的报警器和用于对上述各模块的检测信号进行分析处理的控制计算机，所述耐压测试模块、漏电流测试模块、电能质量分析模块、接地电阻检测模块的信号输出端均通过接口适配器与所述控制计算机的信号输入端连接，用于将检测数据发送至控制计算机，所述控制计算机的控制输出端分别驱动连接耐压测试模块、漏电流测试模块、电能质量分析模块和接地电阻检测模块，用于根据键盘模块输入的检测信号，输出检测指令驱动相应功能模块的工作，所述的控制计算机还驱动连接报警器。

控制计算机包括主处理器、驱动模块和控制器，采用本发明的测试系统在医疗 设备现场进行检测时，首先通过按键模块选择需要的检测功能，并将检测信号发送主处理器，所述的主处理器得到按键指令后，根据按键模块选择的检测功能，给驱动模块发送驱动信号，由驱动模块驱动控制器工作，控制相应的检测模块实现对应的检测功能。同时，检测模块把检测数据传送给主处理器，由主处理器控制驱动模块驱动显示器，将检测数据通过显示器进行显示，当检测结果不符合标准时，主处理器发出报警信号给报警模块，驱动报警模块报警。

如图2所示，本发明的电能质量分析模块主要由电压输入采样、电流输入采样、采样保持电路、A/D转换电路及单片机组成。电压输入采样电路的输入端和电流输入采样电路的输入端均连接在电网中，分别用于采集电网电流和电压，电网电压信号经过整流滤波后，接入电压输入采样电路，电压输入采样电路的输出端通过采样保持电路连接A/D转换电路的模拟输入端，A/D转换电路的数字输出端连接单片机；电网电流信号经过IV转换和整流滤波后，输入电流输入采样电路，电流输入采样电路的输出端输出的信号，经过AD转换接入单片机。

如图3所示，所述的电压输入采样电路采用电阻分压电路，输入端加接补偿电容以提高采样瞬变信号的能力，使设备既能采集到2500V高压、1μs的尖峰信号，又能检测电网电压的高低的变动。检测电网谐波时，电压输入采样端采用电阻分压及补偿电容电路，可以高速、精确采样电压信号，还提高了采样信号的带宽，以有利于对高频信号的频谱分析。采样后的电压信号经采样保持、A/D转换后存储在单片机的非易失存储器内，单片机通过具有红外线光耦隔离的RS232或RS485接口与控制计算机连接，以防止高压窜入，提高系统通讯的抗干扰能力。为了高速、精确采样电流信号，电流输入采样采用宽频的电流钳，电流钳的频率相应达100kHz。

采样后的电压、电流信号经过调理，分别由高速A/D转换器进行模数转换，并进行数字信号处理。谐波分析(频谱分析)是数字信号处理的核心，本发明利用具有抗混迭误差效果的快速傅立叶频谱变换(Fast Anti-Aliasing Fourier Transform，FAFT)方法，以实现既快速又准确地分析高达100kHz以上的高次谐波，FAFT分析3998次谐波只需要处理(16+1)个数据即可。

如图4所示，本发明的漏电流检测模块主要由漏电流测试电路、采样电路、放大电路、A/D转换器、比较器和单片机组成，所述的漏电流测试电路的输入端连接 漏电流测试端，检测漏电流，所述测试电路的输出端连接采样电路，用于将检测到的漏电流信号输出至采样电路，采样电路的输出端通过放大电路连接A/D转换器，用于将采样后的漏电流信号经过放大电路处理后，输出至A/D转换器的模拟输入端，A/D转换器的数字输出端输出经过AD转换后的数字漏电流信号，所述A/D转换器的数字输出端连接单片机，用于将测试的漏电流存储在单片机中，并发送给控制计算机进行分析、显示，同时，经过AD转换后的漏电流信号还输送至比较器的一个输入端，所述比较器的另一个输入端接入预设漏电流信号，将测试的漏电流值与预设漏电流值进行比较，并输出控制信号到控制电路，如果检测到的漏电流值超出预设值，则控制报警器报警。

如图5所示，测试端左边为测试回路(MD电路)，SW1选择开关，当频率小于或者等于1kHz选择1，频率超过1kHz选择2，测试端右边经过放大后，进行采样AD转换进行显示，并与预设值比较产生控制信号传送至控制电路。

如图6所示，接地电阻检测模块是由电流发生器、测试电路、A/D转换器、单片机、显示器和报警器组成，所述电流发生器的信号输出端连接测试电路的输入端，测试电路的输入端还连接待测电阻的两端，所述测试电路的输出端连接AD转换器的模拟输入端，所述AD转换器的数字输出端连接单片机的输入端，所述单片机的输出端连接控制计算机，所述控制计算机的输出端连接报警器和显示器。

电流发生器产生测量电流，并输出至测试回路，且测试回路的输出端还连接待测电阻的两端，测试电路将电流信号和流经被测电阻上的电流产生的电压信号进行处理，完成交直流转换，进行除法运算得到电阻信号，所述的电阻信号经过AD转换后输出至单片机，存储在flas存储器中，同时，单片机将测试结果发送给主处理器，并通过显示器指示电流值和电阻值，若被测电阻大于报警值，模块驱动报警器报警，若测试电流过大，则报警的同时切断测试电流，以保证被测电气设备的安全。

接地电阻检测模块是用来测量电气设备内部的接地电阻，它所反映的是电气设备的各处外露可导电部分与电气设备的总接地端子之间的接触电阻。为了消除接触电阻对测试的影响，模块采用四端测量法，即在外露可导电部分和总接地端子之间加上电流，然后再测量这两端的电压，算出其电阻值。标准UL2602-1规定，电源 插头上保护接地引脚与万一发生基本绝缘故障时可能带电的每个可触及部分之间的阻抗，都应该小于0.1Ω，因此在测试过程中需要采用Kelvin探头，以有效地去除导线的电阻，并避免高电流密度聚集在电流注入点所引入的电压测量误差。

如图7所示，医用电气设备的各项漏电流都符合所要求的限值之后，还要对其进行高电压测试，以评估该设备各个隔离部分之间绝缘屏障的性能。所述的耐压测试模块包括升压电路、电流测量电路、采样电路、A/D转换器和单片机，所述的升压电路连接在被测试的隔离屏障两边，所述电流测量电路的输入端连接在被测电路中，所述电流测量电路的输出端通过采样电路连接A/D转换器的模拟输入端，所述A/D转换器的数字输出单连接单片机，所述单片机的输出端连接控制计算机，所述控制计算机的控制输出端连接升压电路。

其基本测试方法就是将高电压作为测试电压施加于被测试的隔离屏障两边的部件上，测试电压的大小根据额定电源电压下正常工作时隔离屏障所承受的电压来决定。施加高电压的过程中，需要监测电流，以防止产生电弧击穿。

本发明针对医疗室现场，集成了电能质量分析、漏电流检测、接地电阻检测和耐压检测，能同时对医疗设备用电环境及医疗设备自身的电气性能进行检测，操作简便，集中管理控制。