电源系统在医疗设备中的技术挑战

医疗设备对电源系统的要求极为严苛，需同时满足严格的安全标准，且具备卓越的可靠性、超低噪音、紧凑坚固的结构以及优异的环境适应性。这一设计标准能够确保设备在极端苛刻的医疗环境中实现关乎生命的关键性能，同时符合全球范围内严格的医疗安全标准与法规要求。

引 言

医疗设备在医疗健康领域至关重要，因为它们直接为多种健康状况的预防、诊断、治疗和监测提供支持。这得益于医疗电子技术的进步，现代医疗设备具备丰富多样的功能，具体包括以下几个方面：

精准诊断与早期检测：磁共振成像(MRI)扫描仪、计算机断层扫描(CT)机、超声系统以及血液分析仪等设备，能帮助临床医生在疾病早期阶段实现检测。而在疾病早期进行治疗，往往疗效更显著，且对患者的创伤更小。

高效治疗与干预：手术机器人、输液泵、心脏起搏器和胰岛素泵等设备，可根据患者的个体需求，提供精准、可控的治疗方案。

持续监测与患者安全：生命体征监护仪、可穿戴追踪设备以及重症监护室(ICU)设备，能帮助医护人员实时跟踪患者状况，以便在出现并发症时迅速采取应对措施。

公共卫生与应急响应：除颤仪、呼吸机和现场诊断试剂盒等便携式医疗设备，在灾害救援、疫情防控和战地医疗等场景中发挥着至关重要的作用。

由于医疗设备高度依赖复杂的电子系统，因此也面临着电子电路普遍存在的各类问题，例如元件损耗、电气噪音干扰以及环境应力影响等。此外，医疗设备还需应对医疗领域特有的挑战，如严格的医疗设备安全标准、需符合 IEC 60601 及其他医疗安全标准、设备灭菌需求，以及在关乎生命的关键应用场景中对设备持续可靠性的极高要求。

电气挑战

将电源系统集成到医疗设备中，会带来通用电子设备中不存在的独特电气挑战。高可靠性与持续可用性至关重要：许多医疗设备需 24 小时不间断运行，无法承受意外停机，在生命支持类或关键任务型医疗应用场景中更是如此。此外，电力系统必须产生极低的噪音并将电磁干扰(EMI)降至最低，以确保精密的患者监护设备(能够正常工作)。能够产生准确、无失真的读数。符合相关医疗安全标准所规定的严格隔离和漏电流限制，对于保护患者免受电气风险也至关重要。

对于生命关键型应用，备用电源能力至关重要，这需要瞬时切换到电池或不间断电源(UPS)以防止运行中断。许多设计还集成了冗余电源路径，以确保容错能力。医疗电源系统必须符合全球安全、电磁兼容性(EMC)和性能要求，能适应各种输入电压，且常常要在移动或野外部署场景中存在的电力质量不佳这一具有挑战性的条件下运行。

一些设备需要多个隔离的电源域，以安全分离患者接口、控制电子设备和大功率执行器。此外，由于医疗设备通常具有较长的认证和服务生命周期，设计人员必须选择有长期供货保证的组件，以避免因组件过时而可能影响法规合规性、医疗设备安全性或维护工作的风险。

机械方面挑战

除了上述讨论的电气方面挑战外，将电源系统集成到医疗设备中还需要应对重大的机械限制。有限的内部空间要求电源设计必须紧凑且坚固，同时不能影响性能或安全性。

在便携式和可穿戴医疗设备中，减轻重量对于提高可用性、减少疲劳以及保障患者的行动能力至关重要。电源系统组件的放置和封装必须符合人体工程学设计，确保其在使用过程中不会干扰临床医生的操作，也不会影响患者的舒适度。热管理是另一个关键考量因素，因为小型外壳可能会积聚热量，这些热量必须安全散发，同时不能增加噪音、有组件故障的风险或导致患者不适。在某些情况下，外壳、连接器和支架中使用的材料必须具有生物相容性，以满足卫生、灭菌和直接接触的安全要求。

环境挑战

医疗设备中的电源系统必须能在各种环境条件下可靠运行。这包括对不同温度和湿度水平的耐受性，这些因素会影响设备的性能和组件的使用寿命。通常，对液体和污染物的防护至关重要，这就需要坚固的外壳、密封件以及防止液体、灰尘和其他污染物进入的密封垫。在某些临床或工业医疗环境中，设备可能还需要在消毒过程中承受喷射冲洗、高压冲洗或接触刺激性清洁化学品。

除了环境密封外，符合电磁兼容性(EMC)标准也至关重要，这能确保医疗设备在繁忙的医疗环境中既不会发出电磁干扰(EMI)，也不会受到电磁干扰的影响。对于移动、现场部署或应急使用的设备而言，抗振动、抗机械冲击以及抗操作冲击的能力同样必不可少，这样才能保证稳定的电力供应并防止内部损坏。

医疗设备电源系统的关键标准

医疗设备，特别是那些包含电子供电系统的设备，必须符合一系列国际标准，这些标准涉及安全性、性能和环境适应性。核心标准是IEC 60601-1，它规定了医用电气设备的一般安全和基本性能要求。该标准涵盖了前面讨论过的许多电气方面的挑战，包括隔离、漏电流限制和容错能力，同时也对机械完整性和环境耐久性提出了要求。诸如IEC 60601-1-2之类的配套标准则侧重于电磁兼容性(EMC)，确保设备能可靠运行，既不产生电磁干扰(EMI)，也不受其影响。电磁兼容性对于电气性能和环境适应性而言都至关重要。

相关标准涉及机械和环境方面的考量。IEC 60601-1-11规定了家用医疗保健设备的要求，其中紧凑设计、耐用性以及防尘、防液体和适应多变环境条件等因素至关重要。像ISO 14971这样的风险管理标准，确保了电气、机械或环境源带来的危害能被系统地识别和缓解。当生物相容性是一个考量因素时，ISO 10993为可能与患者接触的材料提供了标准化的测试协议。此外，IEC 60529(防护等级)以及在某些情况下的MIL-STD-810(针对振动、冲击和环境耐久性)可能会被引用，以验证密封性和机械韧性。

更广泛的医疗护理，更好的治疗效果

基于电子技术的医疗设备构成了现代医疗系统的支柱，相比仅依靠人类专业知识，它们能够实现早期检测、更精准的治疗、更好的患者预后，以及更广泛的医疗服务可及性。这些设备的设计者必须确保其在任何环境下都能完美运行，无论条件如何。这包括应对与医疗设备电源系统集成相关的电气、机械和环境挑战。通过全面应对这些挑战并遵循国际医疗器械标准，电源制造商能够提供不仅满足当今需求，还能预见未来医疗系统需求的解决方案。

其他资源

RECOM AC/DC、DC/DC及EMC知识手册，汇集了实现成功的交直流电源设计所需的大量知识和经验。

此外，RECOM的《AC/DC电源中的能效：基础知识快速指南》 博客对生态设计法规进行了有益的介绍。生态设计法规是政府或监管机构制定的一系列标准和指南，旨在确保产品在其整个生命周期中都能将对环境的影响降至最低。这些法规主要侧重于通过减少浪费、排放和资源消耗来提高能源效率并促进可持续发展。