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(多图) 医疗系统中的USB隔离解决方案

Analog Device公司 David Krakauer?? 2010年03月29日 ?? 收藏0

  通用个人电脑(PC)的广泛普及正在重塑医疗系统的构建方式。这些医疗系统的核心就是PC,只是采用专门的软件和针对医疗应用定制的功能对其进行了配置。这种方法降低了成本,缩短了开发时间,因为许多PC组件的价格已经很低。这种技术还能与其它系统(如服务技术人员的笔记本电脑)和外设(如打印机、键盘和鼠标)实现更好的互操作。然而,由于标准PC接口缺少直接、具有成本效益的隔离方案,这种技术的应用有时会很受到阻碍。

ADI公司的单芯片USB隔离器

  这是ADI公司的单芯片USB隔离器,利用内部稳压器可以在5V USB电源或系统提供的3.3V电源下工作。

  RS-232是一种很容易隔离的PC通信端口,但正在被逐步淘汰,让位于一种更具鲁棒性、更高速度的接口USB,而且带这种接口的外设已经相当多。然而,这种接口与RS-232不同,很难进行隔离,因为它是差分和双向接口。直到最近,USB隔离还需要使用多个USB控制器、隔离器和其它元件,不仅增加了成本,而且延长了开发时间。现在,新的USB隔离技术已出现,它可将隔离医疗设备中USB所需的全部功能集成在一起,不需要额外的元件,无需修改主机或外设软件就能直接将其插入到USB信号路径中。

  隔离式接口

  医疗系统使用隔离来保护操作人员、病人或系统本身的安全。隔离也能将系统某个部件产生的噪声与另一个对噪声更敏感的部件隔离开来。凡需要安全性的应用场合,隔离器件都要受到像UL和IEC等组织设立的标准约束,所适用的标准取决于具体应用。例如,IEC 60601规定了对医疗设备的安全性要求,而IEC 60950适用于信息技术设备。

  下面介绍在安全性标准中与医疗系统的隔离等级或质量有关的一些特定术语:

  隔离额定值。隔离额定值通常规定为交流电压,是指隔离器能够承受的瞬时过电压。典型值是2.5kV rms、1分钟,但有更高隔离要求的医疗系统可能规定为5kV rms、1分钟。

  工作电压。工作电压是指连续加在隔离上的电压。与隔离额定值一样,工作电压通常也规定为交流电压,但隔离阻障需要能够在整个工作寿命期间承受这个电压。工作电压典型值约400V rms。

  增强型隔离。增强型隔离通常是医疗系统提出的要求,它规定的隔离值等效于两个独立系统的隔离。这种等效性需要通过确保隔离阻障能够承受比如10kV的短时持续浪涌电压来确定。增强型隔离常见于IEC标准,例如针对医疗应用的IEC 60601-1。

  爬电距离。爬电距离是指沿着隔离阻障两侧的两导体之间封装表面的最短距离。

  空隙。空隙是指两个导体之间的最短空气距离。特定应用要求的爬电距离和空隙取决于许多因素,包括安全标准、隔离类型(基本/单或者增强/双)、工作电压等。

  与病人安全有关的医疗设备一般要求增强型隔离,工作电压为125V rms或250V rms,爬电距离和间隙为至少8mm。

  隔离等级取决于系统是如何划分的。图1给出了带各种接口的一般医疗设备框图,并标出了可以实现隔离的位置。病人必须与主系统隔离,因此在B、C或D点要求对病人进行安全性隔离。在很多情况下,D点是不需要隔离的,因为传感器或其它设备必须直接连接病人。在其它情况下,如超声波设备,D点的隔离由传感器头部的塑料外壳提供。C点的信息仍处于模拟域,因此又要隔离又要保持精度很不经济。这样,医疗设备中的隔离通常在B点实施,但这会使操作人员和外设处于无保护状态,因此还需要在其它接口处实施隔离。

一般医疗设备的框图

图1:一般医疗设备的框图,图中标示了可以实施隔离的接口位置。

  医疗安全标准允许两种类型的隔离:病人保护型(MOPP)和操作人员保护型(MOOP)。MOPP遵守IEC 60601规定,MOOP则遵守严格程度较低的规定,如IEC 60950。在上述例子中,系统可以被划分为要求接口B通过IEC 60601认证,而接口A、E、F和G可能只要求通过IEC 60950认证。

  一些医疗系统为了确保最高安全等级,所有接口都要求符合IEC 60601,因为这些系统可能允许病人接触外围设备。另外,系统中与病人连接的部分可能被认为是一个外设,会连接到图中所示E、F和G接口中的任何一个。IEC 60601还规定了使用高电压除颤器时的安全性。与病人连接的任何设备只要没经过IEC 60601认证,那么在除颤期间必须被移走,不管有没有时间这样做。

  USB的采用

  系统内部接口,如图1中的A、B和C点,通常为UART、SPI和I2C,具体取决于成本、性能和尺寸要求。而系统架构师还要根据互操作性选择外部连接端口。过去,PC系统依赖于RS-232串行通信。但RS-232在PC上、特别是笔记本上越来越少,带RS-232的外设数量也在急剧减少。

  相反,USB却快速增长,部分原因是USB接口的迅速普及和大量外设的支持。USB的即插即用特性还能降低开发费用和减少对专用软件的需求。在医疗设备中,USB的使用不只限于受过专业训练的操作人员,病人也可以在家里使用USB设备将数据下载到USB存储器,然后带到医院供医生诊断时使用。USB还能用来将传感器或其它测量设备连接到主系统。USB的优势之一是允许多达127个设备在一条总线上工作,因此即使只有一个USB端口也能使用多个外设。相反,RS-232串行通信端口只能处理一个设备。


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医疗? USB隔离? 变压器? 光耦?

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