چالش‌های طراحی توان الکترونیک پزشکی و الزامات محصولات سلف

دستگاه‌های الکترونیکی پزشکی در پیشگیری، تشخیص، درمان و نظارت بر بیماری‌ها نقش دارند و نقش مهمی در حوزه مراقبت‌های بهداشتی ایفا می‌کنند. با توجه به ارتباط آن‌ها با ایمنی جان انسان، دستگاه‌های پزشکی الزامات بسیار سخت‌گیرانه‌ای را نسبت به سیستم‌های تغذیه تحمیل می‌کنند که شامل رعایت استانداردهای ایمنی پزشکی دقیق، قابلیت اطمینان بسیار بالا، نویز بسیار پایین، ساختارهای فشرده و مقاوم، و سازگاری عالی با محیط‌های مختلف می‌شود.

1- چالش‌های پیش‌رو در طراحی توان الکترونیک پزشکی

از آنجا که دستگاه‌های پزشکی به‌شدت به سیستم‌های الکترونیکی پیچیده متکی هستند، با مشکلات مختلفی که در مدارهای الکترونیکی رایج است، مانند تلفات قطعات، تداخل نویز الکتریکی و اثرات تنش محیطی نیز مواجه می‌شوند. علاوه بر این، دستگاه‌های پزشکی باید چالش‌های خاص حوزه پزشکی را نیز پوشش دهند، مانند رعایت استانداردهای سخت‌گیرانه ایمنی دستگاه‌های پزشکی، انطباق با IEC60601 و سایر استانداردهای ایمنی پزشکی، تأمین الزامات استریل‌سازی دستگاه و تضمین نیازهای بالا به قابلیت اطمینان مداوم در کاربردهای حیاتی و تهدیدکننده زندگی.

1.1 چالش‌های الکتریکی

ادغام سیستم‌های برقی در دستگاه‌های پزشکی چالش‌های الکتریکی خاصی ایجاد می‌کند که در دستگاه‌های الکترونیکی عمومی وجود ندارند. قابلیت اطمینان بالا و دسترسی پیوسته بسیار حیاتی است، زیرا بسیاری از دستگاه‌های پزشکی نیازمند عملکرد بدون وقفه 24/7 هستند و نمی‌توانند از دست دادن بی‌خبر را تحمل کنند، به‌ویژه در سناریوهای کاربردی پزشکی مرتبط با حمایت از حیات یا وظایف حیاتی. برای کاربردهای حیاتی، برق پشتیبان ضروری است و نیازمند تغییر فوری به باتری‌ها یا منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) است تا از قطعی عملیات جلوگیری شود.

1.2 چالش‌های مکانیکی

برای اطمینان از اینکه طراحی برقی در فضای داخلی محدود بدون کاهش عملکرد یا ایمنی، فشرده و محکم باشد، سیستم‌های برقی دستگاه‌های پزشکی با چالش‌های طراحی مکانیکی نیز مواجه هستند. در دستگاه‌های پزشکی قابل حمل و پوشیدنی، کاهش وزن برای بهبود کاربری، کاهش خستگی و تضمین تحرک بیمار بسیار مهم است. بنابراین، کوچک‌سازی سیستم برقی یک روند اجتناب‌ناپذیر است.

مدیریت پراکندگی حرارت عامل دیگری است که باید در نظر گرفت، زیرا محفظه‌های کوچک ممکن است گرما را جمع کنند که باید به‌صورت ایمن و بدون افزایش سطح نویز، ایجاد خطر خرابی قطعات یا ایجاد ناراحتی برای بیمار، دفع شود.

1.3 چالش‌های محیطی

سیستم‌های تغذیه در دستگاه‌های پزشکی باید در شرایط محیطی مختلف به‌صورت قابل اعتماد کار کنند. این شامل تحمل در برابر دماها و سطوح رطوبت مختلف است که می‌توانند بر عملکرد دستگاه و طول عمر قطعات تأثیر بگذارند. برای دستگاه‌های سیار، قابل حمل یا مورد استفاده در شرایط اضطراری، توانایی مقاومت در برابر ارتعاشات، ضربه‌های مکانیکی و شوک عملیاتی نیز برای تضمین تأمین پایدار برق و جلوگیری از آسیب داخلی ضروری است.

1.4 استانداردهای ایمنی

منابع تغذیه پزشکی باید با استانداردهای بین‌المللی مانند IEC 60601-1 سازگار باشند که الزامات عمومی ایمنی و عملکرد پایه‌ای را برای تجهیزات الکتریکی پزشکی مشخص می‌کند. این استاندارد شامل چالش‌های متعدد الکتریکی از جمله عایق‌بندی، محدودیت جریان نشتی و تحمل خطا می‌شود و همچنین انسجام مکانیکی و دوام محیطی را الزامی می‌کند. استانداردهای مکملی مانند IEC 60601-1-2 به الزامات سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) می‌پردازند و اطمینان حاکم می‌شود که تجهیزات بدون ایجاد تداخل الکترومغناطیسی (EMI) یا تحت تأثیر آن قرار گرفتن، به‌طور قابل اعتمادی کار کنند.

2- اصلی کاربردها و الزامات سیم‌پیچ‌ها در منابع تغذیه پزشکی

سیم‌پیچ‌ها نقش مهمی در دستگاه‌های الکترونیکی پزشکی ایفا می‌کنند که مدیریت توان مهم‌ترین و بنیادی‌ترین کاربرد آنهاست. کاربردهای اصلی آنها عبارتند از:

2.1 منابع تغذیه سوئیچینگ و مبدل‌های DC-DC: سیم‌پیچ‌ها اجزای اصلی منابع تغذیه سوئیچینگ هستند و در کنار ترانزیستورهای سوئیچینگ و خازن‌ها، انرژی را ذخیره می‌کنند، سیگنال‌ها را فیلتر می‌کنند و ولتاژ را تبدیل می‌نمایند. چه در منبع تغذیه اصلی تجهیزات بزرگ تصویربرداری (مانند CT، MRI) و چه در مدارهای مدیریت باتری دستگاه‌های قابل حمل (مانند مانیتورها، پمپ‌های تزریق)، سیم‌پیچ‌های توان ضروری هستند. آن‌ها به‌طور کارآمد جریان متناوب را به ولتاژهای مستقیم مختلف مورد نیاز دستگاه تبدیل می‌کنند یا عمل افزایش و کاهش ولتاژ مستقیم را انجام می‌دهند.

نقشه شماتیک کاربرد منبع تغذیه در دستگاه‌های پزشکی

2.2 فیلتر کردن نویز و سازگاری الکترومغناطیسی: دستگاه‌های پزشکی بسیار حساس به تداخل الکترومغناطیسی (EMI) هستند و نویز تولید شده توسط خود دستگاه‌ها نباید با سایر تجهیزات تداخل ایجاد کند. مغزه‌های مغناطیسی و القاگرهای حالت مشترک به‌طور گسترده در انتهای ورودی توان و گره‌های کلیدی مدار استفاده می‌شوند تا نویز فرکانس بالا را فیلتر کنند و اطمینان حاصل شود که دستگاه استانداردهای سختگیرانه سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) (مانند IEC 60601-1-2) را رعایت می‌کند.

به دلیل خصوصیت سناریوی کاربردی، القاگرهای مورد استفاده در منابع تغذیه تجهیزات پزشکی نسبت به القاگرهای مصرفی معمولی، نیازمندی‌های بالاتری از نظر عملکرد الکتریکی دارند. این نیازمندی‌ها عمدتاً در جنبه‌های زیر نمود پیدا می‌کنند:

◾ قابلیت اطمینان بالا: دستگاه‌های پزشکی مربوط به ایمنی جانی هستند و باید در طول چرخه عمر دستگاه، عملکرد پایداری تضمین شود که این امر مستلزم نرخ بسیار پایین خرابی است.

◾ صدای کم: طراحی کم‌نویز برای جلوگیری از اینکه نویز منبع تغذیه با مدارهای آنالوگ حساس داخلی (مانند تقویت‌کننده‌های ECG، EEG و غیره) تداخل ایجاد کند

◾ کارایی بالا: استفاده از مواد هسته‌ای مغناطیسی با تلفات کم برای کاهش تلفات سلف و تولید گرما، به‌ویژه در دستگاه‌های قابل کاشت و قابل حمل، می‌تواند عمر باتری را افزایش دهد.

◾ ساختار محافظ مغناطیسی: از سلف‌هایی با ساختار محافظ مغناطیسی استفاده کنید تا از نشت میدان مغناطیسی قطعات مختلف در دستگاه‌های پزشکی جلوگیری شود و از تداخل با مدارها یا تجهیزات اطراف جلوگیری گردد.

◾ انطباق با استانداردهای ایمنی: سلف‌ها (به‌ویژه ترانسفورماتورهای جداساز) باید با استانداردهای ایمنی پزشکی سازگار باشند و فاصله کافی در مسیر نشت و فاصله الکتریکی مناسب را تضمین کنند.

در مجموع، سلف‌ها «قلب» و «تصفیه‌کننده» سیستم تغذیه در دستگاه‌های پزشکی هستند که مسئول تبدیل کارآمد انرژی و همچنین تضمین خلوص و ایمنی تغذیه برق می‌باشند. این اجزای اساسی، بدون آن‌ها امکان تأمین استانداردهای بالا و الزامات سخت‌گیرانه دستگاه‌های پزشکی میسر نیست.

3- راه‌حل‌های سلف برای منابع تغذیه الکترونیکی پزشکی

همان‌طور که قبلاً اشاره شد، سیم‌پیچ‌ها نقش مهمی در سیستم‌های منبع تغذیه پزشکی ایفا می‌کنند و باید الزامات بالای تجهیزات منبع تغذیه پزشکی را برآورده کنند. بنابراین، در انتخاب محصولات، باید عواملی مانند قابلیت اطمینان بالا، نویز پایین، بازدهی بالا و مقاومت در برابر EMI در نظر گرفته شوند.

به عنوان یک تأمین‌کننده پیشرو در زمینه قطعات مغناطیسی، کدکا بیش از 24 سال است که به تحقیق و توسعه مواد هسته مغناطیسی، طراحی و بهینه‌سازی سیم‌پیچ‌ها و سیم‌پیچ‌های القایی اختصاص داده است. کوداکا با همکاری نزدیک با مهندسان منبع تغذیه پزشکی، محصولات با ارزش بالایی را برای حوزه الکترونیک پزشکی فراهم می‌کند و پشتیبانی فنی ارائه می‌دهد تا به مشتریان در انتخاب قطعات مغناطیسی مناسب کمک کند. کوداکا به‌صورت مستقل چندین سری از سیم‌پیچ‌ها از جمله محرک های قدرت جریان بالا , سلف‌های قالب‌گرفته شده ، و چوک‌های مد مشترک را توسعه داده و تولید می‌کند که به‌طور گسترده در دستگاه‌ها و قطعات پزشکی مانند دستگاه‌های سونوگرافی، آنالیزورهای خون، ونتیلاتورها، دستگاه‌های اندازه‌گیری فشار خون و ربات‌های توانبخشی به کار رفته‌اند.