Управление электропитанием в медицинской аппаратуре

В статье рассматривается устрой­ство управление электропитани­ем для четырех типов медицинских приборов.

В современной медицинской аппаратуре широко используются многоуровневые источ­ники питания. Для оптимального управления электропитанием используются специальные ИМС, причем для каждого типа медицинских приборов разработаны свои микросхемы, управляющие электропитанием. В настоящей публикации рассмотрены ИМС для управле­ния электропитанием, предназначенные к применению в домашних медицинских прибо­рах, клинической аппаратуре для анализ кро­ви, клинических системах мониторинга со­стояния здоровья пациента, приборы визуали­зации изображений, полученных с помощью рентгенографии, томографии и т.п.

Управление электропитанием в медицинских приборах, предназначенных для использования в домашних условиях

К таким приборам относятся портативные тонометры, глюкометры, пульсометры, оксиметры и др. Основными требованиями к этим приборам должны быть следующие: портатив­ность, автономное батарейное питание, дли­тельное время эксплуатации прибора без дозарядки аккумуляторов, невысокая стоимость. Это означает, что оптимизация управления пи­танием в таких приборах практически не должна отражаться на его стоимости. Типовая структурная схема медицинского прибора для домашнего применения приведена на рис. 1.

Рис. 1. Типовая структурная схема портативного медицинского прибора с автономным источником питания

Прибор содержит литий-ионные аккумуля­торы и ключ ADP190, позволяющий отклю­чить основной LDO-стабилизатор напряжения ADP160 от нагрузки. Ток потребления ключа в замкнутом состоянии составляет 2 мкА, а ста­билизатора ADP160 (без нагрузки) — 560 нА, что незначительно увеличивает ток разряда аккумуляторов.

ИМС ADP2140 представляет собой им­пульсный понижающий стабилизатор напря­жения, совмещенный с линейным стабилиза­тором, что позволяет упростить управление и уменьшить размеры источника сигнала в це­лом.

Для подзарядки аккумуляторов в состав ме­дицинского прибора может быть включено за­рядное устройство (ИМС типа ADP5065). В этом случае источником первичного напряже­ния заряда может служить USB-порт. На рис. 2 приведена функциональная схема повышающего стабилизатора напряжения, выполненного на основе ИМС ADP1607, при­менение которой позволяет уменьшить число аккумуляторов. Стабилизатор преобразует входное напряжение 0.8…1.5 В в напряжение на выходе 3.3 В, которое необходимо для пита­ния практически всех узлов медицинского прибора.

Рис. 2. Принципиальная схема импульсного повышающего источника питания

Клиническая аппаратура для анализа крови

Такая аппаратура широко используется в клиниках. Ограничения на размеры и эконо­мичность на нее, как правило, не распространяются. Медицинские приборы этой группы должны иметь высокую чувствительность и низкий уровень входных/выходных шумов. Первичным источником питания в этих прибо­рах является DC/DC-преобразователь. Типо­вая функциональная схема многоуровневого вторичного источника питания, выполненного на ИМС ADP5050, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная схема многоуровневого программируемого источника питания

В составе микросхемы ADP5050 четыре им­пульсных и один линейный стабилизаторы на­пряжения. Основными достоинствами данной микросхемы являются следующие:

• высокая степень интеграции;
• возможность синхронизации частоты коммутации для каждого импульсного стаби­лизатора;

• возможность управления частотой коммутации.

Управление частотой коммутации позво­ляет снизить уровень излучения электромаг­нитных помех при увеличении частоты комму­тации и повысить его перегрузочную способ­ность при снижении этой частоты. Кроме того, в этом стабилизаторе предусмотрены програм­мируемые через интерфейс I²C изменения вы­ходного напряжения, контроль температуры кристалла, регулирование фазового сдвига сигналов коммутации, формирование сигнала «power good» индивидуально для каждого ка­нала. Применение ИМС ADP5050 в медицин­ской клинической аппаратуре позволяет на­дежно поддерживать оптимальный режим электропитания.

Системы мониторинга состоянием здоровья пациента

Эти системы практически постоянно под­ключены к телу пациента. Они следят за кар­диограммой, энцефалограммой, давлением и другими параметрами. Основными требова­ниями к этим системам, которые длительное время подключены к пациенту, является элек­тробезопасность. Требования к ней сформули­рованы в стандарте IEC60601-1. Поэтому в си­стемах мониторинга состояния здоровья паци­ента широко используется гальваническая развязка в цепях питания. Наилучшим реше­нием этой проблемы является применение изо­ляторов, выполненных по технологии iCoupler. ИМС изоляторов семейства iCoupler ADuM540x обеспечивает развязку цепей пита­ния мощностью до 500 мВт.

Функциональная схема ИМС этого семей­ства приведено на рис. 4, фотография кристал­ла показано на рис. 5. ИМС семейства ADuM540x обеспечивает прочность изоляции при кратковременных выбросах напряжения до 10 кВ.

Рис. 4. Функциональная схема изолятора семейства ИМС ADuM540x

Рис. 5. Фотография кристалла семейства ИМС ADuM540x

Медицинские приборы с визуализацией изоб­ражений

К приборам и системам этой группы отно­сятся компьютерные томографы, аппаратура УЗИ и цифровой рентгенографии, магниторезонансные и позитронно-эмиссионные томографы. Управление электропитанием этих устройств и систем развивается в двух направ­лениях. Системы магниторезонансной и позитронно-эмиссионной томографии отличаются высоким потреблением и включают множе­ство распределенных источников питания. В таких системах важней всего обеспечить высо­кий КПД и мониторинг рассеяния тепла. При визуализации изображений в устройствах как большой, так и малой мощности необходимо, чтобы шумы, генерируемые цепями питания, были отображены на мониторе. Это позволяет исключить их в процессе анализа изображе­ния путем управления базовой линией. Отме­тим, что разработка источников питания для такой аппаратуры является непростой задачей и должна выполняться вместе с проектирова­нием измерительных каналов и каналов визуа­лизации изображения. Использование готовых универсальных источников питания в такой ап­паратуре может привести к потере точности и достоверности визуализации изображения.

ВЫВОДЫ:

1. Управление электропитанием медицин­ской аппаратуры зависит от области ее приме­нения. В портативных приборах домашнего применения необходимо обеспечить экономич­ность, высокий КПД, минимальные размеры и невысокую стоимость. Для стационарной кли­нической аппаратуры, первичным источником питания которой является электросеть, не­обходимо обеспечить требования к электробе­зопасности, при этом уровень шумов в цепях питания не должны влиять на чувствитель­ность медицинского прибора. Проектирование сложной медицинской аппаратуры с визуали­зацией изображения (томографы, рентгенаппараты и др.) следует осуществлять одновре­менно с разработкой специализированного ис­точника питания.
2. Широкий набор ИМС для проектирова­ния современных источников для медицин­ской аппаратуры любого класса, включая гальваническую развязку цепей питания и оп­тимальное управление режимами работы, вы­пускает компания Analog Devices.

Автор: Ф. Достал