التحديات في تصميم مصادر الطاقة الإلكترونية الطبية ومتطلبات منتجات المحاثات

تدعم الأجهزة الإلكترونية الطبية الوقاية من الأمراض وتشخيصها وعلاجها ومراقبتها، وتؤدي دورًا حيويًا في مجال الرعاية الصحية. ونظرًا لارتباطها بسلامة الحياة، تفرض الأجهزة الطبية متطلبات صارمة جدًا على أنظمة الطاقة، مما يستدعي الامتثال لمعايير السلامة الطبية الصارمة، فضلاً عن الموثوقية الاستثنائية، والضجيج المنخفض جدًا، والهياكل الصغيرة والقوية، والقدرة المتميزة على التكيف مع الظروف البيئية.

1- التحديات التي تواجه تصميم مصادر الطاقة الإلكترونية الطبية

نظرًا لاعتماد الأجهزة الطبية بشكل كبير على أنظمة إلكترونية معقدة، فإنها تواجه أيضًا مشكلات متنوعة شائعة في الدوائر الإلكترونية، مثل فقدان المكونات، والتداخل الناتج عن الضوضاء الكهربائية، وتأثيرات الإجهاد البيئي. بالإضافة إلى ذلك، يجب على الأجهزة الطبية التصدي لتحديات خاصة بمجال الطب، مثل الالتزام بمعايير السلامة الصارمة الخاصة بالأجهزة الطبية، والامتثال للمواصفات القياسية IEC60601 وغيرها من معايير السلامة الطبية، وتلبية متطلبات تعقيم الأجهزة، وضمان متطلبات عالية فيما يتعلق بالموثوقية المستمرة في التطبيقات الحرجة التي تهدد الحياة.

1.1 التحديات الكهربائية

يُمثّل دمج أنظمة الطاقة في الأجهزة الطبية تحديات كهربائية فريدة لا توجد في الأجهزة الإلكترونية العامة. فالموثوقية العالية والتوفر المستمر أمران بالغَا الأهمية، حيث تتطلب العديد من الأجهزة الطبية تشغيلًا مستمرًا على مدار الساعة ولا يمكنها التسامح مع توقف غير متوقع، خاصةً في سيناريوهات تطبيقات الأجهزة الطبية الداعمة للحياة أو المهام الحرجة. بالنسبة للتطبيقات الحيوية، فإن طاقة الاحتياط ضرورية وتتطلب التبديل الفوري إلى بطاريات أو مصادر طاقة غير منقطعة (UPS) لمنع انقطاع التشغيل.

1.2 التحديات الميكانيكية

لضمان تصميم نظام الطاقة بشكل مدمج ومتين ضمن المساحة الداخلية المحدودة دون المساس بالأداء أو السلامة، تواجه أنظمة طاقة الأجهزة الطبية أيضًا تحديات في التصميم الميكانيكي. وفي الأجهزة الطبية المحمولة والقابلة للارتداء، يُعد تقليل الوزن أمرًا بالغ الأهمية لتحسين قابلية الاستخدام، وتقليل الإرهاق، وضمان حركة المريض. ولذلك، فإن تقليل حجم نظام الطاقة هو اتجاه لا مفر منه.

إدارة تبديد الحرارة هي عامل حاسم آخر يجب أخذه في الاعتبار، حيث يمكن أن تتراكم الحرارة داخل الأغلفة الصغيرة، ويجب تبديدها بشكل آمن دون زيادة الضوضاء أو التسبب في مخاطر فشل المكونات أو التسبب بعدم راحة المريض.

1.3 التحديات البيئية

يجب أن تعمل أنظمة الطاقة في الأجهزة الطبية بشكل موثوق تحت ظروف بيئية متنوعة. ويشمل ذلك التحمل أمام درجات حرارة ومستويات رطوبة مختلفة، والتي يمكن أن تؤثر على أداء الجهاز وعمر المكونات. بالنسبة للأجهزة المتنقلة أو التي تُستخدم ميدانيًا أو في حالات الطوارئ، فإن القدرة على تحمل الاهتزازات والصدمات الميكانيكية والصدمات التشغيلية مهمة بنفس القدر لضمان إمداد كهربائي مستقر ومنع التلف الداخلي.

1.4 معايير السلامة

يجب أن تتوافق مصادر الطاقة الطبية مع المعايير الدولية مثل IEC 60601-1، الذي يحدد متطلبات السلامة العامة والأداء الأساسي لمعدات الكهرباء الطبية. ويشمل هذا المعيار العديد من التحديات الكهربائية، بما في ذلك العزل، والحد من تيار التسرب، وقدرة التحمل ضد الأعطال، إلى جانب اشتراطات تتعلق بالمتانة الميكانيكية والقدرة على التحمل البيئي. وتتناول المعايير التكميلية مثل IEC 60601-1-2 متطلبات التوافق الكهرومغناطيسي (EMC)، لضمان التشغيل الموثوق للمعدات دون إحداث تداخل كهرومغناطيسي (EMI) أو التأثر به.

2- رئيسي التطبيقات ومتطلبات المحاثات في مصادر الطاقة الطبية

تلعب المحاثات دورًا حيويًا في الأجهزة الإلكترونية الطبية، حيث تعد إدارة الطاقة أكثر التطبيقات أساسيةً وأهميةً. وتشمل تطبيقاتها الرئيسية ما يلي:

2.1 مصادر الطاقة ذات التبديل والمحولات DC-DC: المحثات هي المكونات الأساسية لمصادر الطاقة ذات التبديل، وتعمل بالتعاون مع الترانزستورات والمقاومات لتخزين الطاقة، وترشيح الإشارات، وتحويل الجهد. سواء في مصدر الطاقة الرئيسي للمعدات الكبيرة (مثل التصوير المقطعي أو التصوير بالرنين المغناطيسي)، أو دوائر إدارة البطارية للأجهزة المحمولة (مثل أجهزة المراقبة وأجهزة التسريب)، فإن المحثات الكهربائية لا غنى عنها. فهي تحول تيار التيار المتردد بكفاءة إلى جهود التيار المستمر المختلفة التي تحتاجها الأجهزة، أو تقوم بتحويل جهد التيار المستمر إلى أعلى أو أقل.

المخطط التخطيطي لتطبيق مصدر الطاقة في الأجهزة الطبية

2.2 تصفية الضوضاء والتوافق الكهرومغناطيسي: تُعد الأجهزة الطبية شديدة الحساسية تجاه التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، ولا ينبغي أن يتسبب الضوضاء الناتجة عن الأجهزة نفسها في التدخل مع المعدات الأخرى. وتُستخدم الخرزات المغناطيسية والمثبطات ذات الوضع المشترك على نطاق واسع عند طرف دخل الطاقة وفي العقد الدائرية الرئيسية لتصفية الضوضاء عالية التردد، مما يضمن توافق الجهاز مع معايير التوافق الكهرومغناطيسي الصارمة (مثل IEC 60601-1-2).

نظرًا لخصوصية سيناريو الاستخدام، فإن المثبطات المستخدمة في مصادر طاقة المعدات الطبية تتطلب مواصفات كهربائية أعلى من تلك الخاصة بالمثبطات الاستهلاكية العادية. وتنعكس هذه المتطلبات بشكل رئيسي في الجوانب التالية:

◾ موثوقية عالية: تتعلق الأجهزة الطبية بسلامة الحياة، ويجب ضمان عملها بشكل مستقر طوال دورة حياة الجهاز، مما يستدعي معدل فشل منخفض للغاية.

◾ ضوضاء منخفضة: تصميم منخفض الضوضاء لمنع ضوضاء مصدر الطاقة من التدخل مع الدوائر التناظرية الحساسة الداخلية (مثل مضخمات تخطيط القلب الكهربائي، وتخطيط الدماغ الكهربائي، إلخ)

◾ كفاءة عالية: استخدام مواد قلب مغناطيسي منخفضة الفقد لتقليل فقد المحث و generation الحرارة، وهي خاصة مهمة للأجهزة القابلة للزراعة والأجهزة المحمولة، حيث يمكن أن تطيل عمر البطارية.

◾ هيكل التدريع المغناطيسي: استخدم محثات ذات هياكل تدريع مغناطيسي لمنع تسرب المجال المغناطيسي من المكونات المختلفة في الأجهزة الطبية، وتجنب التداخل مع الدوائر أو المعدات المحيطة.

◾ الالتزام بمعايير السلامة: يجب أن تلتزم المحثات (وخاصة محولات العزل) بمعايير السلامة الطبية، مع ضمان مسافة زحف كافية ومسافة عزل كهربائي.

باختصار، تُعد المحثات "القلب" و"مُنقي الطاقة" لنظام إمداد الطاقة في الأجهزة الطبية، حيث تتحمل مسؤولية التحويل الفعال للطاقة مع ضمان نقاء وسلامة مصدر الطاقة. وهي مكون أساسي لا غنى عنه يلبي المعايير العالية والمتطلبات الصارمة للأجهزة الطبية.

3- حلول المحثات لإمدادات الطاقة الإلكترونية الطبية

كما ذُكر أعلاه، تلعب المحاثات دورًا حيويًا في أنظمة إمدادات الطاقة الطبية ويجب أن تستوفي المتطلبات العالية لمعدات إمدادات الطاقة الطبية. لذلك، عند اختيار المنتجات، يجب مراعاة عوامل مثل الموثوقية العالية، والضوضاء المنخفضة، والكفاءة العالية، ومقاومة التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).

بصفتها موردًا رائدًا لمكونات المغناطيسية في المجال الصناعي، كوداكا تُعَدّ شركة كوداكا مكرسةً لتطوير مواد القلب المغناطيسية، وتصميم وتحسين الملفات والمحاثات على مدى أكثر من 24 عامًا. وبالتعاون الوثيق مع مهندسي إمدادات الطاقة الطبية، توفر كوداكا منتجات ذات قيمة عالية في مجال الإلكترونيات الطبية وتقدّم دعمًا فنيًا لمساعدة العملاء على اختيار المكونات المغناطيسية المناسبة. كما تقوم كوداكا بتطوير وتصنيع سلسلة متعددة من المحاثات بشكل مستقل، بما في ذلك محفزات الطاقة عالية التيار , ملفات مُصَبَّغَة , و الاختناق في الوضع الشائع والتي تم تطبيقها على نطاق واسع في الأجهزة والمكونات الطبية مثل كاشفات الموجات فوق الصوتية، ومحاليل الدم، وأجهزة التنفس الاصطناعي، وأجهزة قياس ضغط الدم، وروبوتات إعادة التأهيل.