УПРАВЛІННЯ ЕЛЕКТРОЖИВАННЯМ У МЕДИЧНИХ ПРИЛАДАХ

Побутові медичні прилади

Стрімке старіння населення, розвиток економіки передових країн, поява нових інноваційних напрямів у галузі медицини значно розширили можливості сучасних медичних приладів, що застосовуються в домашніх умовах. До переваг домашніх медичних приладів належить можливість швидкого вимірювання необхідного медичного параметра безпосередньо пацієнтом без звернення до лікаря та гнучкість у прийнятті рішення в лікуванні за результатами вимірювання. Прикладами таких приладів є побутові тонометри, глюкометри, вимірювачі частоти серцевого ритму, оксигемометри тощо. Як правило, всі ці прилади в портативному виконанні та мають батарейне живлення. Чим менше їх споживання, тим довше ці прилади можна використовувати без заміни або підзарядки акумуляторних батарей. Пристрої управління електроживленням домашніх медичних приладів суттєво впливають на їх вартість. На рис. 1 наведена схема управління електроживленням на основі перезаряджуваного літій-іонного акумулятора (Li-Ion Battery).

Як слідує з цієї схеми, електроживлення ряду її вузлів може бути відключене за допомогою ключа (Потужний ключ) ADP190, у той час як інші вузли, а саме стабілізатор (LDO) ADP160, який використовується для живлення годин реального часу (RTC), і сама ІМС годин реального часу завжди залишаються в робочому стані, тобто з підключеним (Power-on) живленням. Ключ ADP190 споживає не більше 2 мкА у ввімкненому стані, а стабілізатор ADP160 в ненавантаженому режимі має споживання не більше 560 нА, що дозволяє звести до мінімуму струм розряду акумуляторної батареї.

ІМС ADP2140 – підвищуючий імпульсний стабілізатор (buck switching regulator), суміщений з лінійним стабілізатором, що дозволяє знизити вартість цих вузлів і зменшити займану ІМС площу на друкованій платі порівняно з аналогами, виконаними на різних кристалах. Крім того, у складі схеми управління живленням, рис. 1, є зарядний пристрій (Charger) ADP5065 для підзарядки акумуляторної батареї. ІМС ADP5065 може бути підключена до портів USB 2.0 або USB 3.0 і забезпечує підзарядку акумуляторної батареї через міні-USB роз’єм. Деякі побутові медичні прилади, процес вимірювання в яких відбувається за короткий інтервал часу, використовують звичайні батарейки без підзарядки, що знижує вагу, зменшує розміри і вартість приладу в цілому. До таких приладів, наприклад, належать портативні глюкометри або оксигемометри. Недоліком використання звичайної батарейки як у медичному, так і в іншому портативному приладі, є невисокий рівень напруги батарейки, який знаходиться в межах від 0.8 до 1.5 В. Для забезпечення ефективної роботи вторинного джерела живлення цей рівень підвищується за допомогою стабілізатора напруги, наприклад, типу ADP1607, до напруги 3.3 В, як показано на схемі, рис. 2.

Медичні прилади, що використовуються в клініках або поліклініках

Такі прилади, як правило, є стаціонарними пристроями. Вони мають велике споживання, не порівнянне зі споживанням портативних побутових приладів. Тому ефективність управління електроживленням у таких пристроях не така важлива, як у портативних. У той же час, для стаціонарних приладів важливим параметром є рівень випромінюваних ними перешкод, величина яких впливає на точність вимірювань. Це означає, що застосовувані в них імпульсні стабілізатори повинні мати малий рівень випромінюваних електромагнітних перешкод. Як правило, у стаціонарних медичних приладах, які живляться від мережі змінного струму, використовуються ac/dc-перетворювачі, які формують необхідні рівні постійної напруги для вузлів і компонентів таких приладів. На рис. 3 наведена схема ІМС ADP5050, що представляє собою пристрій управління електроживленням (power management unit – PMU), яке формує напругу постійного струму 1.2 В.

Схема містить чотири імпульсні стабілізатори напруги і один лінійний стабілізатор. Частоти комутації кожного імпульсного стабілізатора синхронізовані між собою і мають деякий зсув по фазі один відносно одного для зменшення рівня випромінюваних перешкод, що дозволяє зменшити параметри конденсаторів у фільтрах на виході стабілізаторів, а, отже, і розміри цих конденсаторів.

Відзначимо, що якщо для двох імпульсних стабілізаторів у цій ІМС використовувати частоту комутації вдвічі меншу, ніж для двох інших стабілізаторів, то це дасть можливість забезпечити гарантовано низький рівень випромінюваних перешкод. При цьому для більш високих вихідних напруг бажано використовувати більш низьку частоту комутації імпульсних стабілізаторів, а для більш низьких вихідних напруг – більш високу частоту комутації. Це дозволить забезпечити високий ККД джерела живлення в цілому. Інтерфейс I2C дозволяє програмувати рівні живлячих напруг, контролювати температуру кристала ІМС, задавати зсув по фазі між частотами комутації імпульсних стабілізаторів, визначати правильність роботи ІМС по кожному каналу і керувати рівнями напруги живлення індивідуально в кожному каналі.

Стаціонарні медичні монітори

Використовуються в клініках для безперервного стеження за кров’яним тиском, частотою серцевого ритму, частотою дихання та іншими основними медико-фізіологічними параметрами пацієнтів. В якості джерела живлення в таких моніторах, як правило, використовуються лінійні стабілізатори напруги, т. к. у цьому обладнанні ефективність джерела живлення не така важлива порівняно з раніше розглянутими пристроями. Основними вимогами до джерел живлення медичних моніторів є малий рівень випромінюваних перешкод, висока ступінь електробезпеки і надійності. Висока надійність важлива, наприклад, при транспортуванні пацієнта з медичним монітором з однієї клініки в іншу, т. к. відмова монітора може призвести до загибелі пацієнта. Гальванічна розв’язка ланцюгів живлення в таких моніторах повинна відповідати вимогам стандарту IEC 60601-1. В якості ізоляторів цифрових ланцюгів рекомендується використовувати ізолятори, виконані за технологією iCoupler® компанії Analog Devices. Ізолятори цього типу забезпечують електричну міцність ізоляції до 10 кВ, що відповідає вимогам стандарту IEC 60747-5-5. Технологія iCoupler заснована на застосуванні плівкових розв’язуючих трансформаторів, як показано на рис. 4. Як видно з цього рисунка, між двома плівковими обмотками є ізоляційний бар’єр, виконаний з поліаміду або іншого ізолюючого матеріалу, наприклад, окису кремнію.

Структурна схема пристрою гальванічної розв’язки, виконаного за технологією iCoupler, наведена на рис. 5. Як було відзначено, така технологія дозволяє забезпечити гальванічну розв’язку як сигнальних ланцюгів, так і ланцюгів живлення. Наприклад, ІМС сімейства ADuM540x забезпечують розв’язку ланцюгів живлення з потужністю до 500 мВт. Внутрішній вигляд ІМС, виконаної за технологією iCoupler, наведений на рис. 6.

Медичні прилади з візуалізацією інформації

До цієї групи медичних приладів належать ультразвукові прилади, комп’ютерні та емісійні томографи, цифрові рентгенівські апарати, МРТ тощо. Такі прилади, як МРТ і емісійні томографи мають значне споживання. Чим вищий ККД таких приладів, тим менше буде розсіювана у зовнішній простір потужність. Іншим важливим показником вузлів електроживлення в таких приладах є рівень створюваних ними перешкод, т. к. генеровані шуми і перешкоди по ланцюгах живлення відображаються на екрані монітора такого пристрою, збільшуючи погрішність аналізованого зображення. Відзначимо, що до теперішнього часу випускаємі промисловістю серійні модулі управління електроживленням у таких складних медичних приладах практично не знаходять застосування. Це пов’язано з тим, що виробники цих модулів не можуть гарантувати необхідний рівень генерованих електромагнітних перешкод для кожного конкретного застосування. Тому до теперішнього часу пристрої електроживлення такої медичної апаратури є предметом власної розробки компаній виробників даних медичних приладів, причому пристрої електроживлення, як правило, розробляються на основі дискретних компонентів, що поки дозволяє більш успішно боротися з виникаючими в ланцюгах живлення перешкодами і шумами.

Висновки

Схеми управління електроживленням у медичних приладах різного призначення – від портативних з батарейним живленням і до стаціонарних установок для діагностики різних патологічних змін в організмі людини – багато в чому визначають точність і валідність медичного діагнозу. У домашніх приладах і медичних приладах для вимірювання і моніторингу основних медико-фізіологічних параметрів людини в теперішній час використовуються серійні модулі управління електроживленням, що дозволяють підвищити ефективність джерела живлення, знизити рівень перешкод, підвищити рівень електробезпеки, зменшити габарити і вартість приладів в цілому. Широкий набір модулів гальванічної розв’язки та пристроїв управління електроживленням для таких пристроїв випускає компанія Analog Devices. У складних діагностичних установках типу УЗІ, МРТ, цифрової рентгенапаратури використовуються системи електроживлення на дискретних компонентах, причому гарантований рівень перешкод і шумів джерела живлення забезпечується в процесі комплексної налагодження медичного обладнання в цілому.