錢雷鳴，羅林聰，孫永和

(杭州市紅十字會醫(yī)院設備科，杭州310000)

數(shù)字化手術室低壓交直流供電網(wǎng)絡的設計探討

錢雷鳴，羅林聰，孫永和

(杭州市紅十字會醫(yī)院設備科，杭州310000)

本文分析當前手術室供電網(wǎng)絡存在的問題，提出了手術室中低壓交直流電源配置的要求，根據(jù)要求設計數(shù)字化的低壓交直流供電網(wǎng)絡專供手術室中可直接接低壓供電的設備，可以作為主供電源或輔助電源，對所提出的供電網(wǎng)絡的原理及結(jié)構(gòu)進行相關分析，并對日后的進一步研究作了探討。

數(shù)字化手術室;醫(yī)用低壓交直流電源;UPS醫(yī)用電源;交直流整流

隨著數(shù)字化醫(yī)院建設的推進，更多的信息設備進入到手術室，手術室的用電設備越來越復雜，對供電網(wǎng)絡系統(tǒng)的要求更高，需要更高的電源安全防護。手術室設備復雜多樣，而其中有很多設備是直接或間接低壓供電，這就有必要對數(shù)字凈化手術室設計一套低壓供電網(wǎng)絡，精細簡化完善手術室供電網(wǎng)絡系統(tǒng)，提高醫(yī)療設備電氣安全。

目前，一間數(shù)字凈化手術室所包含設備有: (1)基礎類設備:基礎照明，凈化通風系統(tǒng)，醫(yī)用吊塔、手術無影燈、電動手術床等;(2)手術麻醉設備:麻醉呼吸機，監(jiān)護系統(tǒng)，各種電刀，內(nèi)窺鏡手術系統(tǒng)，顯微手術系統(tǒng)，圖形工作站以及輔助手術設備等;(3)數(shù)字信息設備:醫(yī)療信息系統(tǒng)(PACS，HIS，LIS，RIS，AMIS手術麻醉系統(tǒng))，影像示教系統(tǒng)。

1 當前手術室供電網(wǎng)絡存在的問題

根據(jù)手術室電源防護和醫(yī)療設備的電氣安全要求，手術室的供電采用IT隔離變壓器電源系統(tǒng)。最新的JGJ 16-2008《民用建筑電氣設計規(guī)范》第12．8．6條規(guī)定:2類場所用途相同且相毗鄰的幾個房間內(nèi)至少配備一套醫(yī)用IT電源供電(隔離供電電源)。數(shù)字化凈化手術室內(nèi)設備復雜多樣，外部供電電源是AC220V，而其中有許多設備是間接低壓供電或外接電源適配器變壓后供電，如吊塔、無影燈、手術床、呼吸機、麻醉機、信息數(shù)字設備的采集設備或模塊、顯示器等。隨著科技的進一步發(fā)展，手術室相關醫(yī)療設備小型化，裝置模塊化對電源部分將會有更高的要求。手術室內(nèi)醫(yī)療設備根據(jù)電氣安全的要求，應采用低壓工作模式，工作電壓一般為12V或24V。如手術無影燈和吊塔等采用外置的低壓電源，手術室基礎建設安裝過程中一般將其開關電源或隔離變壓器就近安裝于設備附近，待基礎建設完成之后一般被封閉于吊頂上面，這為日后故障檢修帶來很大的麻煩。采用低壓直接供電就有效地避免了電源故障的檢修，降低設備的故障率，提高手術室的醫(yī)療設備電氣安全。本文提出一種數(shù)字化手術室低壓交直流供電網(wǎng)絡，解決改進當前手術室及臨床手術出現(xiàn)設備供電網(wǎng)絡和醫(yī)療設備電氣安全的問題。

2 低壓直流變換電路

當前，典型的交直流變換電路有推挽、半橋、全橋等。由表1可知，全橋變換電路的原邊有四個開關管，其主電路及相關控制電路的復雜程度高，適合在中大功率場合應用。半橋變換及推挽變換的原邊都是兩個開關管，副邊輸出濾波器的工作頻率是開關頻率的兩倍，將輸入電壓按照一定比例變壓，無論在空載還是滿載狀態(tài)下輸出電壓都基本不變，一般最大輸出功率1000W左右;而推挽變換的開關管的電壓應力是半橋變換的兩倍，同時變壓器存在直流偏磁，所以采用開環(huán)控制、滿占空比輸出的半橋變換器作為交直流整流變換器。電路的后級采用Buck變換，如圖1所示，采用同步整流方式獲得較高的變換效率，各路獨立閉環(huán)控制可以保證每路輸出的穩(wěn)壓精度高，穩(wěn)定性好，動態(tài)響應速度快。

表1 變換電路比較

圖1 電源變換模塊原理圖

3 低壓交直流供電網(wǎng)絡設計

結(jié)合目前手術室的醫(yī)用的IT隔離電源系統(tǒng)網(wǎng)絡，基于常用手術室儀器設備的分析研究，對配置電源網(wǎng)絡性能給出了如下的要求:(1)電源接近為恒壓源，凈化電壓波動變化小;(2)電源的搭載負載能力強，滿足臨床手術使用設備的要求;(3)配DC12V/DC24V/AC24V可選接口，滿足各種電源需求;(4)匹配的UPS裝置，提供不間斷的電源需求;(5)等電位聯(lián)接，接地可靠性好。

低壓交直流供電網(wǎng)絡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(原理如圖2所示)主要由交直流變換系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)及電路智能檢測系統(tǒng)組成，輸入電壓經(jīng)過交直流變換系統(tǒng)得到低壓直流，再將該低壓直流進行降壓或者逆變換得到所需的電壓。交直流變換系統(tǒng)有兩路AC220V的輸入，通過斷電傳感器自動切換輸入線路，經(jīng)過電源變換模塊得到DC24V。系統(tǒng)中的UPS控制模塊有確定電源變換模塊的工作狀態(tài)及檢測UPS系統(tǒng)性能的功能，該子系統(tǒng)主要的功能是提供穩(wěn)定的DC24V輸出;UPS能提供該電網(wǎng)的斷電支持，并具備實時顯示UPS電量及定期自動充放電的功能，圖3給出了UPS系統(tǒng)及控制模塊的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。低壓配電系統(tǒng)主要功能是變換產(chǎn)生所需的DC12V/DC24V/AC24V，漏電控制模塊主要是防止電源接口存在漏電流對病人造成醫(yī)療事故。以上所有子系統(tǒng)網(wǎng)絡運作都有電路智能監(jiān)視系統(tǒng)的支持。

4 討論

該系統(tǒng)主要應對手術室設備儀器電源故障和醫(yī)療設備的電氣安全而設計的，也可應用到ICU、急診等，由于設備的配置不同線路也做相應的改變滿足臨床需求。根據(jù)現(xiàn)代數(shù)字化醫(yī)院(E-Hospital)的標準將電路智能檢測模塊引入系統(tǒng)中，能實時監(jiān)測各個端口的狀態(tài)，并第一時間檢測接入設備的運行狀態(tài)，及時響應網(wǎng)絡中出現(xiàn)的意外狀況，控制電路及總線集成技術是本系統(tǒng)的核心部分之一，所以要引入PLC、DSP、ARM或單片機等技術來進行數(shù)字信號的分析處理，要考慮系統(tǒng)的實時性、實用性、穩(wěn)定性、有效性;恒壓源是當前研究的熱點，由于手術室設備種類繁多，功率大小差別大，如何設計一個有效的恒壓電路輸出符合各型功率的設備是日后要做的工作之一;醫(yī)用電源有嚴格的標準，在系統(tǒng)中設計DC12V/DC24V/AC24V三個輸出端口，其負極或零線如何做到聯(lián)接等電位并在使用過程中是否接地有待進一步探討。

圖2 低壓交直流供電網(wǎng)絡

圖3 UPS系統(tǒng)及控制模塊

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