Wie man die elektromagnetische Interferenz (EMI) in medizinischen Kabelbaugruppen reduziert

OP-Säle, Intensivstationen und Diagnosebereiche in Krankenhäusern sind dicht mit Überwachungsgeräten bestückt – Beatmungsgeräten, elektrochirurgischen Geräten, Bildgebungsgeräten und Kommunikationsgeräten –, die alle elektromagnetische Felder erzeugen, die empfindliche medizinische Instrumente stören können. Diese elektromagnetische Störung kann sich als falsche Signale und Bildartefakte auf medizinischer Kabel baugruppen zeigen, die kritische Informationen übertragen – beispielsweise Echos einer Ultraschalluntersuchung, eine EEG-Wellenform oder Ablationsenergieniveaus – und im schlimmsten Fall das Gerät vollständig lahmlegen. Eine solche Störung muss eliminiert werden.

Verständnis der EMI-Quellen in Medizin Umgebungen

Bevor Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, müssen zunächst die störenden Signale identifiziert werden. Einige Quellen störender Signale im medizinischen Bereich.

Elektrochirurgische Geräte (ESUs): ESUs erzeugen hochspannungsfähige, hochfrequente Energie zum Schneiden und Koagulieren von Gewebe.

Magnetresonanztomographie-(MRT-)Systeme: Dies sind starke Quellen statischer und hochfrequenter Felder.

Drahtlose Geräte: WLAN-Router, Bluetooth-Geräte und Mobiltelefone erzeugen hochfrequente Störungen.

Motoren und Pumpen: Beatmungsgeräte, Infusionspumpen und robotergestützte chirurgische Instrumente enthalten Motoren, die leitungs- und strahlungsgekoppelte Störungen erzeugen.

Schaltnetzteile: Diese Komponenten kommen in nahezu allen medizinische Elektronik .

Medizinische Kabelbaugruppen sind so konstruiert, dass sie nicht durch Störungen beeinträchtigt werden und selbst keine Störungen abgeben. Kabel können als Sendeantennen für hochfrequente elektromagnetische Störungen (EMI) wirken.

Abschirmung: Die erste Verteidigungslinie

Die beste Verteidigung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) in einer medizinischen Kabelbaugruppe ist eine wirksame Abschirmung. Die Abschirmung dient dazu, externe elektromagnetische Felder daran zu hindern, die Signalleiter zu erreichen. Gleichzeitig begrenzt sie die von den Leitern des Kabels ausgehenden Emissionen innerhalb der Kabelbaugruppe.

Unterschiedliche Abschirmkonstruktionen bieten unterschiedliche Grade der Abschirmwirksamkeit:

Folienabschirmung (Aluminium/Polyester-Band): Bei 100 % Abdeckung bietet sie einen hervorragenden Schutz gegen elektromagnetische Störungen (EMI) bei hohen Frequenzen, weist jedoch eine geringere EMI-Abschirmung bei niedrigen Frequenzen auf. Diese Variante ist leicht und sehr flexibel, neigt jedoch wahrscheinlich zum Brechen, wenn sie wiederholtem Biegen ausgesetzt wird.

Geflechtsabschirmung (Kupferdraht): Wird üblicherweise mit einer Abdeckung von 70–95 % eingesetzt. Sie eignet sich gut zur Unterdrückung von Störungen bei niedrigen Frequenzen. Mechanisch robuster als Folienabschirmung und widerstandsfähiger gegenüber wiederholtem Flexen als Folie. Sie ist schwerer und weniger flexibel als Folienabschirmung.

Kombinationsabschirmung (Folie + Geflecht): Durch die Kombination aus Folien- und Geflechtsabschirmung kann eine noch höhere Abschirmwirkung erreicht werden. Dies ist die ideale Wahl für medizinische Kabelbaugruppen, die in gefährlichen elektromagnetischen Umgebungen (z. B. Operationssälen mit höchstem EMI-Aufkommen) eingesetzt werden. Die medizinischen Kabelbaugruppen von Hotten (z. B. Ultraschall-Sondenkabel und Endoskopkabel) können für jede Anwendung eine optimale Abschirmung entwerfen.

Verdrillte Leiterpaare für Differenzsignale

Die EMI-Unempfindlichkeit bei verdrillten Leiterpaarsignalen wie LVDS oder bestimmten Sensorinterfaces ist grundsätzlich gegeben. Da elektromagnetische Störungen bei zwei miteinander verdrillten Leitern identisches Rauschen in beiden Leitern induzieren, wird das gemeinsame Modus-Störsignal am differentiellen Empfänger kompensiert und nur das Nutzsignal bleibt erhalten. Wichtige konstruktive Parameter, die die EMI-Leistungsfähigkeit verdrillter Leiterpaare beeinflussen:

Verdrillungslänge: engere Verdrillungen verringern die Störung im gemeinsamen Modus, erhöhen jedoch die Signaldämpfung.

Paarabschirmung: Einzelne Abschirmungen für jedes Paar bieten zusätzliche Signalisolation.

Konstante Geometrie: Eine gleichmäßige Verdrillung über die gesamte Kabellänge muss gewährleistet sein.

Unsere Hotten-LVDS-Kabelbäume und EEG-Leitungsdrähte verwenden eine verdrillte Paar-Konstruktion mit hervorragender Störunterdrückung für elektrisch stark gestörte medizinische Umgebungen.

Korrekte Erdung und Abschirmungsabschluss

Die Wirksamkeit der Abschirmung einer Kabelbaugruppe hängt stark davon ab, wie die Abschirmung abgeschlossen wird. Schlecht ausgeführte Erdverbindungen können zu Erdungsschleifen (unerwünschte Stromkreise, die Strom führen) führen, die tatsächlich elektromagnetische Störungen (EMI) auf den Signalleitungen induzieren können.

Korrekte Methoden zum Abschluss der Abschirmung sind:

Abgriffsdraht: Ein Abgriffsdraht sollte über die gesamte Kabellänge hinweg mit der Abschirmung in Kontakt stehen.

360-Grad-Abschluss: Die Abschirmung des Kabels sollte allseitig mit dem Gehäuse des Steckverbinders verbunden werden, statt lediglich über einen einzelnen Anschlussdraht (Pigtail), der bei hohen Frequenzen eine hohe Impedanz aufweist.

Erdungsstrategie: Bei den meisten medizinischen Anwendungen ist die Abschirmung an einem Ende geerdet, um Erdungsschleifen zu vermeiden. Gelegentlich, wenn vor allem niederfrequente elektromagnetische Störungen (EMI) relevant sind, kann die Abschirmung an beiden Enden geerdet werden. Hotten kundenspezifische medizinische Kabelbaugruppen werden stets mit einer für jede Anwendung geeigneten Abschirmungsbeendigung am Stecker konzipiert.

Kabelaufbau und Schichtung

Die Leistungsfähigkeit einer Kabelbaugruppe in einer elektromagnetischen Störumgebung wird stark durch den schichtweisen Aufbau der internen Komponenten beeinflusst. Signalleiter werden durch Barrieren von anderen Störquellen getrennt.

Betrachten wir den Aufbau:

Trennung von Signal- und Stromleitungen: stellen Sie sicher, dass stromstarke Stromleitungen nicht in die Nähe empfindlicher Signalleitungen gelangen.

Verwendung von Füllstoffen und Bändern: sie dienen zur Aufrechterhaltung der Kabelform und stellen eine zusätzliche Barriere gegen das Eindringen von Störungen dar.

Gesamtabschirmung über Unterbaugruppen: die Verwendung einer äußeren Geflechtsabschirmung und einer Folienabschirmung stellt sicher, dass Signal- und Stromleitungen von einer mehrschichtigen Abschirmung umgeben sind.

Die Kabelbäume und chirurgischen Skalpelle von Hotten Robotics sind unter Verwendung einer optimalen Schichtung konzipiert, um Wechselwirkungen zwischen Strom- und Signalleitungen zu verhindern.

Fazit

Die Stärke von Hotten liegt in ihrem hervorragenden Team aus Ingenieuren mit umfassendem Know-how im Bereich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMI), einem agilen Entwicklungsprozess sowie der Präzision ihrer Fertigung – dies ermöglicht es Hotten, robuste und zuverlässige medizinische Kabelbaugruppen für extreme medizinische Umgebungen bereitzustellen. Eine Vielzahl von Kabelbaugruppen ist erhältlich, darunter Ultraschallsondenkabel, EEG-Leitungsdrähte, chirurgische Skalpellkabel und HF-Ablationskabel.