Sistemele medicale utilizează izolarea pentru a proteja operatorul, pacientul, întregul sistem, sau pentru a separa zgomotul din diferite părţi ale sistemului. Când sunt necesare pentru siguranţă, dispozitivele de izolare sunt guvernate de standarde ale unor grupuri precum UL şi IEC; standardele adecvate sunt determinate în funcţie de aplicaţie. De exemplu, IEC 60601 impune cerinţele de siguranţă pentru dispozitivele medicale, în timp ce IEC 60950 guvernează echipamentele de tehnologie a informaţiei.
În cadrul standardelor de siguranţă, există anumiţi termeni care descriu nivelul sau la calitatea izolaţiei pentru sistemele medicale:
Rezistenţa izolaţiei se referă la supratensiunea tranzitorie la care poate să reziste izolatorul. 2,5KVrms timp de 1 minut este o valoare tipică, dar la sistemele medicale se poate specifica 5KVrms timp de 1 minut.
Tensiunea de lucru se referă la tensiunea continuă aplicată peste bariera izolatoare. Bariera izolatoare trebuie să reziste la această tensiune pe întreaga sa durată de viaţă de funcţionare. Valorile tipice sunt de aproximativ 400Vrms.
Dubla izolaţie se referă la un dispozitiv care are două sisteme de izolare independente. Majoritatea standardelor din ziua de azi permit utilizarea unui singur sistem de izolare care să aibă fiabilitatea echivalentă a două niveluri, pentru a o considera dublă izolaţie. Aceşti termeni sunt utilizaţi de obicei în standardele de siguranţă UL.
Izolaţia ranforsată este similară cu dubla izolaţie şi este un termen întâlnit adesea în standardele IEC precum IEC 60601-1. Izolaţia ranforsată este adesea o cerinţă pentru sistemul medical.
Distanţa de străpungere pe suprafaţă se referă la distanţa cea mai mică de-a lungul suprafeţei carcasei între două conductoare situate de o parte şi de alta a barierei izolatoare.
Distanţa de străpungere prin aer se referă la distanţa cea mai mică prin aer între două conductoare. Aplicaţiile medicale dedicate siguranţei pacienţilor necesită de obicei izolaţie ranforsată, cu tensiunea de lucru de 125Vrms sau 250Vrms şi distanţele de izolare pe suprafaţă şi prin aer de minimum 8mm.
Nivelul de izolare este determinat de modul în care este partiţionat sistemul. Figura 1 este schema-bloc a unui dispozitiv medical generic, cu diverse interfeţe notate pentru a prezenta unde poate fi aplicată izolaţia. Pacientul trebuie să fie izolat de sistemul principal, astfel că izolarea pentru siguranţa pacientului este necesară în punctele B, C sau D. În multe cazuri, aplicarea în D nu este posibilă, deoarece un senzor sau alt dispozitiv trebuie conectat direct la pacient; în alte cazuri, ca, de
pildă, la echipamentele cu ultrasunete, izolarea în punctul D este asigurată de carcasa de plastic a capătului senzorului. Informaţia din punctul C este tot din domeniul analogic, deci nu costă mult să se izoleze aici, păstrându-se în acelaşi timp precizia. Prin urmare, izolarea echipamentului medical se face adesea în punctul B. În acest mod, operatorul şi perifericele rămân neprotejate, deci trebuie să se izoleze şi alte interfeţe. Standardele de siguranţă în domeniul medical permit două tipuri de izolare: mijloace de protecţie a pacientului (MOPP) şi mijloace de protecţie a operatorului (MOOP). MOPP sunt reglementate de IEC 60601, în timp ce MOOP pot fi guvernate de cerinţe mai puţin stringente, precum IEC 60950. În exemplul de mai sus, sistemul poate fi împărţit astfel încât interfaţa B să necesite certificare IEC 6060, în timp ce interfeţele A, E, F, şi G pot necesita numai IEC 60950.
Unele sisteme medicale asigură cel mai înalt nivel de siguranţă prin respectarea normelor IEC 60601la toate interfeţele. În plus, porţiunea de sistem conectată la pacient poate să fie considerată un periferic şi să fie conectată la oricare dintre porturile respective, cum se vede la interfeţele E, F şi G. IEC 60601 asigură, de asemenea, siguranţa faţă de defibrilatoarele încărcate puternic. Fără certificarea IEC 60601, orice dispozitiv conectat la pacient trebuie detaşat în timpul defibrilării.
IZOLAREA PENTRU USB
În general, USB are câteva avantaje considerabile faţă de RS-232:
• Expandabil până la 127 de periferice;
• Funcţionare tip “plug-and-play”;
• Posibilitatea de înlocuire a componentelor fără întreruperea alimentării;
• Viteze mari de transmitere a datelor (1,5Mbit/s, 12Mbit/s şi 480Mbit/s);
• Compatibilitate cu standardele industriale;
• Utilizare pe scară largă şi disponibilitate pe toate PC-urile şi laptop-urile.
În pofida acestor avantaje, adoptarea USB în sistemele medicale nu s-a făcut la fel de rapid ca în alte aplicaţii de larg consum. Ceea ce deosebeşte aceste segmente este nevoia de izolare. În pofida numeroaselor avantaje ale USB faţă de RS-232, izolarea interfeţelor USB nu se face la fel de simplu ca izolarea altor interfeţe.
USB este greu de izolat deoarece este diferenţială, bidirecţională şi necesită rezistoare de configurare (prin conectare la sursă şi la masă) pentru indicarea vitezei magistralelor. Chiar şi numai natura bidirecţională ridică probleme serioase, întrucât trebuie să existe mijloace de determinare a sensului transmisiei de date; la o interfaţă USB izolată, această informaţie trebuie trecută peste bariera de izolare. Fluxul de comenzi este determinat de structura datelor, nu de semnalele de comandă. Interfaţa USB cuprinde 4 bare: VDD, D+, D–, VSS. VDD este sursa de alimentare de 5V, VSS este masa, iar D+ şi D– sunt semnalele diferenţiale. Pentru a complica lucrurile, D+ and D– pot fi folosite şi pentru trimiterea nediferenţială a datelor şi sunt utilizate pentru a determina starea magistralei. Rezistoarele conectate la sursă şi la masă la periferia magistralei determină viteza prin interfaţa USB şi starea de inactivitate. Prin definiţie, datele pot fi transmise doar cu una dintre următoarele : 1,5Mbit/s (viteză mică), 12Mbit/s (viteză normală) şi 480Mbit/s (viteză mare). Standardul USB 2.0 acceptă toate cele trei viteze de date, în timp ce USB 1.1 acceptă numai viteza mică şi pe cea normală. Este important de reţinut că un dispozitiv poate să fie compatibil cu USB 2.0 dar să nu accepte 480Mbit/s. Deoarece optocuploarele standard sunt, prin natura lor, unidirecţionale, o interfaţă izolată care utilizează optocuploare sau alte izolatoare unidirecţionale trebuie să transpună întâi semnalele
USB într-un set de semnale unidirecţionale, ca în figura 2. Aici, semnalele D+/D– de la un microcontroler sunt transpuse în semnale nediferenţiale, unidirecţionale. Aceste semnale sunt izolate şi apoi transpuse iarăşi în semnale USB cu ajutorul unui motor de interfaţă serială USB sau al unui controler USB. În locul unei magistrale simple, cu două conductoare, această soluţie adaugă multe componente şi măreşte numărul de conductoare. Rezultatul este costisitor, consumă mult spaţiu pentru plăci şi necesită un timp de proiectare suplimentar, parţial din cauză că microcontrolerul necesită o configurare software.
ADuM4160 — IZOLAÞIE PENTRU USB ÎNTR-O SINGURÃ CARCASÃ
O metodă mai simplă şi mai economică din punctul de vedere al costurilor şi al spaţiului pentru izolarea USB este utilizarea unui izolator USB dedicat, care poate fi introdus direct între căile de semnal D+/D– la USB. ADuM4160 asigură o izolaţie ranforsată de până la 5 KVrms, cu suport pentru vitezele de date mică şi normală. ADuM4160 ia funcţionalităţile prezentate în figura 2 şi le integrează într-o singură capsulă utilizând tehnologia de izolare iCoupler de la Analog Devices. Spre deosebire de optocuploare, izolatoarele iCoupler utilizează transformatoare planare pentru a transmite datele printr-un strat izolator de poliamidă gros de 20μm, care poate rezista până la 6KVrms. Datele sunt transmise prin inducţie de la o înfăşurare la cealaltă. Figura 3 arată cum fronturile ascendente şi descendente ale unui flux de date sunt codate ca impulsuri duble sau, respectiv, individuale de 1ns. Aceste impulsuri sunt decodate în partea de recepţie pentru a reface datele transmise.
Izolarea cu iCoupler are câteva avantaje faţă de optocuploare. Utilizarea transformatoarelor permite ca datele să fie transmise în ambele sensuri prin bariera izolatoare. Deşi ADuM4160 utilizează transformatoare dedicate pentru a transmite şi a recepţiona semnale, toate bobinele sunt identice şi conţinute într-o singură carcasă. Transformatoarele sunt de asemenea, în mod inerent, mai rapide decât combinaţia LED/fototranzistor utilizată la optocuploare. Acest lucru permite izolatoarelor iCoupler să accepte viteze de date mai mari şi decalaje de propagare mai mici, cerute de USB. De asemenea, izolatoarele iCoupler consumă mai puţină energie. Principalul avantaj al izolării cu iCoupler este însă capacitatea lui de a integra funcţionalităţi suplimentare.
Avantajele economiei de spaţiu ale integrării din iCoupler sunt prezentate în figura 2, unde ADuM4160 ocupă 75% mai puţin spaţiu pe placă în comparaţie cu o configuraţie cu mai multe CI cu transceivere USB şi optocuploare.
AVANTAJELE UTILIZÃRII USB CU IZOLARE
Cu o soluţie USB izolată care economiseşte costuri şi spaţiu şi este uşor de implementat, aplicaţiile medicale ar putea începe să profite de avantajele USB. În sistemele industriale, lipsa unei asemenea soluţii de USB cu izolare forţează utilizarea USB numai pentru conexiuni temporare; un operator poate să se conecteze la un port USB numai când partea de câmp este deconectată. USB cu izolare permite conectarea permanentă chiar şi în timpul funcţionării sistemului.
La sistemele medicale, porturile USB izolate de la monitoarele de la domiciliul pacienţilor pot permite conectarea în timp real între pacienţii aflaţi la domiciliul lor şi medici, asigurând o îngrijire mai bună şi mai precisă. Cu USB cu izolare, un asemenea monitor de la domiciliul bolnavului poate fi conectat la un computer personal, permiţând transferul de date în timp real spre spital, prin internet.
Cu avizul IEC 60601 pentru siguranţă la echipamentele medicale, sistemele cu USB cu izolare pot rămâne conectate la pacient chiar şi în timpul defibrilării.
www.farnell.com/ro