但是，最主要的考慮因素還是管理整個過程的公認標準：針對電子醫(yī)療設備的安全性和有效性開發(fā)的國際電子技術委員會(IEC)60601-1技術標準。IEC 60601-1是一個范圍廣泛的強制要求，包含1個通用標準、約10個附屬標準和約60個特殊標準。
我們將討論有關高壓測試的一些特定問題，例如擊穿電壓和漏電流。我們還會討論目前正在進行的從IEC 60601-1標準第2版向第3版實現(xiàn)的過渡情況，以及這個轉(zhuǎn)變對電子醫(yī)療設備測試過程的意義。
理解高電壓
許多醫(yī)療系統(tǒng)中存在的高電壓對測試與測量來說是很大的挑戰(zhàn)。像除顫器和起搏器等設備是要經(jīng)過美國食品與藥物管理局(FDA)的嚴格法規(guī)審查的。因此這些設備的設計和調(diào)試過程必須十分小心，以免有人受到傷害或發(fā)生更嚴重的事故。
“安全性主要與這些設備的正確放電有關。”吉時利儀器公司(Keithley)營銷總監(jiān)Mark Cejer表示，“起搏器發(fā)生意外啟動或者電流從設備內(nèi)部泄漏進入人體確實非常糟糕。我們需要確保這些設備保持很好的絕緣隔離狀態(tài)。”
為了幫助確保這些設備處于安全隔離狀態(tài)，測試工程師需要進行擊穿電壓測試和漏電流測試。他們讓設備連接到很高的電壓，看這些設備能否承受。然后還要測量在高電壓狀態(tài)下的漏電流。
最終產(chǎn)品的原型必須以這種方式來測試。組件和元件也必須這樣測試。電容、半導體器件和其它元件都有非常嚴格的測試要求。正是每個器件各自的漏電流積累起來形成了最終產(chǎn)品中的總漏電流。
用于這些應用的儀器必須高度精確，并具有足夠的動態(tài)范圍以支持高電壓和極低的電流，這種電流在元件或組件級別可能在皮安(pA)范圍。在最終產(chǎn)品或系統(tǒng)級，電流一般在納安(nA)水平，或者數(shù)百皮安(pA)。
源測量單元(SMU)是這些測量的最佳選擇。什么是源測量單元？它們?nèi)绾螡M足這類應用需求？本質(zhì)上，源測量單元是一種電壓和電流源，能夠?qū)Υ郎y設備(DUT)的直流電壓和/或電流需求作出快速響應。這些源測量單元能夠完成4象限操作，可以作為正或負直流電源，或者用作灌電流或負載(圖1)。
圖1：源測量單元(SMU)能夠進行4象限操作，可以作為正或負直流電源，或者用作灌電流或負載
源測量單元可以提供精確、可重復的測量，典型分辨率為5位半或6位半。它們可以用來進行電流和電壓掃描，進而判定待測設備的 I-V特性。此時，源測量單元工作在很寬范圍的功率和信號電平下。
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諸如功率MOSFET等器件具有非常低的電阻，在導通時可處理很大的電流，但在斷開時，這些器件就具有很高的電阻，流經(jīng)的電流幾乎接近于零。導通狀態(tài)下的電流可達到數(shù)十安培。斷開時的電流可能在納安級甚至更低。
像源測量單元等可以在這么寬的范圍內(nèi)進行精確測量的設備很快就能收回投資，因為使用這些設備可以顯著減少進行這類測量所需的儀器數(shù)量。
吉時利公司推出的型號為2651A的大功率系統(tǒng)源表就是適合這些應用的儀器之一，它具有針對醫(yī)療器件和設備進行擊穿電壓和漏電流測量所必需的許多功能特性。
圖2：吉時利公司型號為2651A的大功率系統(tǒng)源表具有針對醫(yī)療器件和設備
進行擊穿電壓和漏電流測量所需的許多功能特性
源測量單元可以提供或吸收高達2kW 的脈沖功率(±40V，±50V)或200W的直流功率，也能以高達1μs/讀數(shù)的速度精確地測量低至1pA/100μV的信號。因此，這種儀器本身可以極富細節(jié)地表征許多不同的元件和組件。
2651A功能的關鍵是一對非常高速的18位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，一個用于電流模式，一個用于電壓模式。在數(shù)字化測量模式中，它們在以1μs/ 點連續(xù)采樣時每秒可捕獲高達100萬個讀數(shù)。這些轉(zhuǎn)換器是同時運行的，可以在不影響測試效率的情況下實現(xiàn)準確的源讀回。
另外，2651A還具有一種基于22位ADC的集成測量模式。這種模式為需要最高可能分辨率和最高精度要求的應用優(yōu)化了源測量單元的操作。
確保對測量保持非常緊密的配置控制和可追溯性很關鍵，即對測試進行認證，確認是否滿足FDA要求。長時間的校準和穩(wěn)定性在醫(yī)療測試中很重要，因此需要透徹理解美國國家標準技術研究院(NIST)的可追溯標準以及像基準電壓和電阻等問題。[page]
脈沖特性
源測量單元在滿足FDA要求的認證測試中非常有用。這種測試根據(jù)所涉及的設備及其最終應用變化多樣。一般來說，這些測試需要提供電壓源并測量電流，這將導致脈沖特性。
讓我們來考慮可植入式除顫器，例如像Medtronic等制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品(圖3)。這些設備用于檢測心室纖維顫動，這是一種潛在的致命狀況，發(fā)病時心臟會無序顫動，進而泵不出血來。除顫器通過釋放與心臟組織不同步的高能量直流脈沖來解決這種心率失常問題。去顫放電通常可以恢復心臟的正常節(jié)律。
在諸如除顫器這類設備內(nèi)部的元件出現(xiàn)了向更寬帶隙器件(如碳化硅)發(fā)展的趨勢，這種器件支持更快的開關速度。因此，當除顫器或起搏器必須發(fā)送脈沖時，它能比傳統(tǒng)半導體技術快得多地完成感知、檢測和啟動。
從測試和認證角度看，這些設備在測試時必須使用等效的人體心臟波形。制造商必須確保設備提供的脈沖形狀和保真度是正確的。在這些高度動態(tài)的測試中，波形的提供和測量必須達到極高的精度。
了解數(shù)字X光
除了特征和認證測試外，高壓測試在其它醫(yī)療電子領域也非常流行。比如新興的數(shù)字X光技術(這種技術主要用于牙科，但在傳統(tǒng)X光系統(tǒng)中也能找到它的身影)已經(jīng)給測試領域帶來了很高的復雜性和新的課題。
人們對X光一直抱有恐懼感，但該領域也有許多創(chuàng)新成果。數(shù)字技術使得X光更加高效，也更容易使用。最大的好處來自于安全性，因為X光技術專家可以利用更少的人體輻射量取得更好的結果。
“數(shù)字X光技術面世已經(jīng)好多年了，但令人驚訝的是這是一個有點不受監(jiān)管的行業(yè)。”泰克公司(Tektronix)技術營銷經(jīng)理Randy White表示。
X光的主要測量指標是可探測量子效率(DQE)。2003年，IEC(IEC 62220-1)發(fā)表的一份報告對測量數(shù)字X光成像系統(tǒng)的可探測量子效率所需的方法和算法進行了標準化。
可探測量子效率描述的是一個X光成像系統(tǒng)能夠使用相對于理想檢測器的高信噪比(SNR)產(chǎn)生圖像的效率。一些人將它視為衡量檢測器的輻射劑量效率的一個替代指標，因為在相同的圖像信噪比和曝光條件下，隨著DQE的增加，病人所需經(jīng)受的輻射量將減小。
“可探測量子效率可以告訴我們，對于給定的輻射量，一個X光系統(tǒng)的傳感器能夠檢測和重構圖像的效率有多高。它有點像示波器的有效位數(shù)。”White指出。
“DQE相當于數(shù)字X光系統(tǒng)的總體質(zhì)量指標。其它關鍵指標包括系統(tǒng)的噪聲水平及噪聲譜密度。不過，所有這些指標都與DQE有關。”他解釋道。
“這種測量的一部分是信號和圖像處理。”White指出，“一些是高壓測量。這些系統(tǒng)中的階躍信號發(fā)生器在50kV至60kV數(shù)量級。令人驚奇的是電流還不到1A。”
這個級別的電壓要求專門的高壓探頭。“從安全和可靠性角度看，某些點的探測和連接幾乎比測量本身還要重要。”White表示。
泰克的P6015A就是一種高壓探頭，這是一種單端無源探頭，額定直電壓可達20kV DC，峰值電壓可達40kV(100ms脈寬)，如圖4。另外，這種探針的帶寬是75MHz。40kV脈沖峰值在許多脈沖式高壓測試場合中都足夠了。據(jù) White透露，這種探頭還可用于電力傳輸裝置中的更高電壓。
為方便進行這種高壓測量，探頭必須滿足額外的保險商實驗室(UL)認證要求。為減輕電弧的危險，探頭將對環(huán)境安全的硅樹脂化合物作為電介質(zhì)。其它特性包括7pF至49pF的補償范圍、安裝在相鄰放大器輸入端的小型補償盒以及可以與大多數(shù)泰克數(shù)字示波器一起使用的讀數(shù)選件。[page]
低電壓挑戰(zhàn)
醫(yī)療電子設備測試方面的挑戰(zhàn)不僅限于高壓端，在低壓端也面臨艱巨挑戰(zhàn)。像護理人員使用的傳動裝置或醫(yī)院里可以流動的小推車等便攜式設備曾經(jīng)被視為固定設備的備用裝置。但隨著便攜式設備逐漸成為主流，可用性成為主要考慮因素，特別是電池壽命。
在醫(yī)療和消費應用等領域，目標一直是盡量延長電池壽命。起搏器電池必須能可靠地使用5至10年。造成電池故障的主要原因是過充。
好消息是，電池管理電路非常成熟，不僅能監(jiān)視電量水平，還能在達到峰值電量時將電池與供電電源隔離開來。這必須以對于所用電池化學特性合適的方式實現(xiàn)，目前幾乎肯定是鋰離子電池。
因此，便攜式醫(yī)療設備中電池技術的總趨勢是更多的板載電子器件。這樣不僅能通過先進的電源管理功能延長電池壽命，還有助于確保合適的電池系統(tǒng)設計以增強可靠性。
實際上電池是如何測試的呢？一種方法是通過UL，它提供的認證過程需要完成溫度循環(huán)、放電循環(huán)和其它機械與電氣測試。
在醫(yī)療設備中出現(xiàn)的許多電壓特別低。“這些設備中很多使用毫伏級的電壓。”泰克公司的Randy White指出，“我不知道市場上是否有示波器的分辨率能夠小于1mV/格。”因此，這些電壓的測量本身就是一個挑戰(zhàn)。一種方法是使用平均法來提高分辨率。
還有一種方法是預放大這些小信號。泰克的ADA400A有源差分預放可以將饋入的差分信號放大100倍，同時消除共模噪聲(最高可達100dB共模抑制)(圖5)。算上100倍增益，結果就能達到有效的10μV/格。
結果能達到有效的10μV/格
當然，采用這種技術會有帶寬上的折衷。“你現(xiàn)在看到的是2MHz帶寬，”White指出，“對于需要這種靈敏度的許多應用來說，帶寬完全不是問題。舉例來說，助聽器只需要最高到50kHz的音頻范圍。對醫(yī)用傳感器而言，帶寬也在音頻范圍，甚至更低。”
除了要處理非常低幅度的電壓外，這種放大器還有助于測量不是以地為參考的信號。兩個輸入端的高阻抗使得在待測設備中無需增加額外的接地點，從而避免了干擾測量或電路的環(huán)流現(xiàn)象發(fā)生。[page]
法規(guī)問題
測試醫(yī)療電子設備所面臨的最大挑戰(zhàn)也許是尚未確定的從IEC 60601-1標準第2版到第3版的轉(zhuǎn)變。雖然第2版是一份很全面的測試標準，規(guī)定了許多測試條件，但第3版在測試理論上有很大的變化。一旦第3版成為強制標準，醫(yī)療電子設備OEM商必須為他們的最終產(chǎn)品開發(fā)風險管理策略。結果是更多變化的測試過程。
第3版的另外一個重要部分是“基本性能”概念，定義為“達到能夠免除不可接受風險所必需的性能。”標準還指出，“這樣理解基本性能最容易：這種性能的缺失或劣化是否會導致不可接受的風險。”
即使第3版IEC 60601-1現(xiàn)在包含了基本性能要求，但特定OEM廠商的基本性能要求可能有別于標準，具體取決于設備的推薦用途。例如，用于消除紋身的激光設備所具備的基本性能要求就要比眼科手術使用的激光設備低。
增加風險管理和基本性能將導致可變性更大的測試過程。例如，在測試設備的溢出防范能力時，第2版規(guī)定從20cm距離處溢出200mL水并持續(xù)10 秒。后來，標準要求做電介質(zhì)和漏電流測試，以判斷溢出的水是否會導致任何短路現(xiàn)象。
在第3版中，OEM廠商的責任更大，他們要根據(jù)自己對產(chǎn)品潛在風險的評估判定這種測試的性質(zhì)。“現(xiàn)在，OEM廠商必須告訴我們傾倒什么液體、有多少量、從多遠的地方、持續(xù)多久。”Intertek公司北美醫(yī)療技術領導Todd Konieczny表示。Intertek是許多市場中的質(zhì)量與安全認證測試提供商。
第3版中的另外一個重大變化是溫度測試。第2版將系統(tǒng)上的外部按鍵溫度限定為50℃。在第3版中，測量的主觀性更強，與測試人員可以接觸這個按鈕的時間有關。
從第2版到第3版發(fā)生了變化的其它測試還包括單次故障條件清單。如前所述，OEM廠商在將設備提交評估之前必須向第三方測試公司(如 Intertek)提交自己的風險管理檢查表和支持文檔。他們所設計和構建的醫(yī)療設備在實施單次故障后不能存在不可接受的風險。如果這些單次故障被認為不可能導致設備失效，那么設備就被認為不存在不可接受的風險。
單次故障清單包括：斷開的保護地；斷開的電源線；在浮動連接的部件上的電源電壓；在數(shù)據(jù)端口或外殼上的電源電壓；連線、螺絲端子、元件等斷開；活動部件和轉(zhuǎn)子的鎖定；冷卻風扇的鎖定或冷卻循環(huán)的中斷；通風口或過濾器的阻塞；雙隔離設計中某個隔離的短路；半導體器件的短路或開路；自動調(diào)溫器失效。
第3版IEC 60601-1的最新原理見圖6。在第2版中，OEM和測試實驗室之間幾乎沒有交流。理想情況下，在風險分析和初始設計完成后需要進行設計審查，但在實際應用中，這一步經(jīng)常被忽視。
圖6： 在第2版IEC 60601-1(右)中，OEM和測試實驗室之間的交流非常少。
但第3版(左)表明兩者之間需要的合作多得多
與此相反，第3版要求OEM和測試實驗室之間有更多的交流。他們必須合作完成名為“風險管理文件”或RMF的一份文檔，這份文檔詳細列出了設計中固有的每個想得到的質(zhì)量與安全風險，并進行了量化。
據(jù)Intertek公司的Todd Konieczny介紹，第3版測試機制并沒有給實際測試過程增加太多時間，只是由于風險管理要求文字工作增加了許多。
醫(yī)療設備/設備OEM廠商何時該考慮IEC 60601-1第3版呢？如果你在加拿大或歐盟，你可能已經(jīng)在遵循這個標準工作了，因為這個標準是在2012年6月1日生效的。在美國，F(xiàn)DA也已經(jīng)接受經(jīng)受第3版標準測試的設計，但在2013年6月30日才會成為強制要求。
準備第3版測試主要是設計審查這一關，Konieczny表示。“我們建議讓測試實驗室參與進來，然后一起審查設計和RMF的早期版本。”他表示。為了方便審查風險管理文件和標準的軟件部分，Intertek公司對其測試工程師進行了重新培訓。OEM廠商也需要好好研究IEC 60601-1，并從現(xiàn)在開始準備。
像Intertek這樣的測試公司可以提供風險管理方面的指南，并根據(jù)IEC 60601-1內(nèi)容評估風險管理文件，確保文件內(nèi)容詳盡充實。風險管理文件通常非常復雜，需要花較長時間進行編譯和評估。
