在医疗系统中USB的电气隔离

泛用个人计算机(PC)的广泛采用正在赋予医疗系统的建构新的型态。在其核心,这些系统的计算机已配置了专门的软件和功能订制的应用程序。这种方法降低了成本,缩短开发时间,因为许多PC部件经常可以用近似日用品的价格轻易的买到。PC与其他系统(例如,服务技术人员的笔记本电脑)及接口设备(如打印机,键盘和鼠标)还有更好的相互操作性。然而,有时采用PC的做法会受到阻碍,因为缺乏具有直接的、具成本效益的,且具有电气隔离性能的标准PC接口。

通信端口(即RS-232界面),是一种易于达成电气隔离的PC接口,但这种接口由于USB日渐受欢迎,已逐渐被淘汰。USB是一种更强大,更高速的接口,而且有相当多的接口设备可用。但是与RS-232接口比较起来, USB很难做电气隔离,因为它是差动和双向的。即使是现在,要隔离USB需要使用多个USB控制器、隔离器,以及其他部件,这会增加成本和造成产品开发的延误。现在已经有USB隔离技术,整合了所有必要的功能,可隔离USB医疗设备,而不需要额外的部件,也可以直接插入到USB信号路径,而不需修改的主机或周边装置的软件。

电气隔离界面

医疗系统使用电气隔离,以保护操作人员、病人,或系统本身。电气隔离也会把从一个系统的一部分,到另一个更敏感的系统的噪声分隔开来。如果要达到安规的要求,隔离装置均受标准的安规团体,如UL和IEC所管制,依不同的产品来决定适当的标准。例如,IEC 60601管制医疗器材的安全规定,同时IEC 60950则管制信息科技设备。

在安规标准中,有一些条款与医疗系统的电气隔离等级和质量有关,内容如下。

额定隔离电压。额定隔离电压,通常是指交流电压,是指隔离器能够承受的瞬时过电压。一个典型值为在1分钟内耐受2.5 kVrms(千─均方根伏特),但医疗系统有更大的隔离要求,可能需达到在1分钟内耐受5 kVrms。

工作电压。工作电压是指跨越于整个隔离层的连续电压。正如额定隔离电压,工作电压通常是指交流电压,但隔离层是设计成在整个使用寿命中都会承受这个电压。典型值为400 Vrms。

强化隔离。强化隔离往往是针对医疗系统的要求,是指其电气隔离等效于两个独立的系统隔离。等效值是以确保隔离层可承受短时间但持续的涌浪电压值来决定,例如10 kV。强化隔离往往可在IEC标准中找到,如规范医疗器材的IEC 60601-1。

爬电距离。爬电距离是隔离层两侧,两个导体之间,沿着封装表面的最短距离。

间隙。间隙是两个导体之间,穿越空气的最短距离。产品要求的爬电距离和间隙取决于若干因素,包括安全规范标准,电气隔离的类型(基本/单倍对比强化/双倍),工作电压等。

医疗器材中有关患者安全通常要求强化隔离的工作电压为125 Vrms或250 Vrms,且爬电距离和间隙至少8 mm。

医疗安规标准允许两种类型的隔离:病人保护方法(Means Of Patient Protection,MOPP)和操作人员保护方法(Means Of Operator Protection,MOOP)。MOPP是由IEC 60601规范,而MOOP可能使用较不那么严格的要求,如IEC 60950。

有些医疗系统可确保最高等级的安规,所有接口均遵循IEC 60601,因为这些系统可以允许病人接触到接口设备。此外,系统连接到病人身上的部分可能是设备。IEC 60601也订定了高压充电式心脏电击器的使用安全性。如果这部电击器没有取得IEC 60601认证,任何连接到病人的联机在电击的过程都必须移除,显然在那么紧急的时刻是不可能有时间这样做的。

采用USB

系统内部接口通常依成本、性能和尺寸来选择UART,SPI和I2C。反之,系统架构工程师还基于互相操作性来选择外部连接的接口。过去,PC类系统的串行通信依赖RS-232接口。但是有RS-232端口的计算机,特别是笔记本电脑日益减少,而且可用的数量也变少。

相较之下,USB接口使用量上升的部分原因是它的普及和大量可支持的。USB即插即用的本质也降低了开发的间接费用以及特殊的专用软件。在医疗设备,USB的使用并不限于受过训练的操作人员,病人可以使用家中的设备,下载资料到USB随身碟,并带到医院进行诊断。USB也可以用来连接传感器或其他测量装置到主系统。 USB的优点之一是它允许多达127台设备接到同一个总线,所以即使只有一个USB接口,也可以使用多个装置。相较之下,RS-232串行通信埠只能处理一个装置。

图1: USB的标准要素

隔离USB

总体而言,USB相较于RS-232有一些不可忽视的优点,包括以下内容:

可扩充至127个装置。

即插即用操作。

热插入功能。

图2:透过RS232的电气隔离

高数据传输速率(每秒1.5 Mb、每秒12 Mb和每秒480 Mb)。

工业标准的兼容性。

广泛使用和可用性的个人计算机。

尽管有这些优点,在医疗系统采用USB的速度并没有像在其他消费产品那么迅速。医疗产业和其他产业在USB的使用上之所以会有区别,就在于电气隔离的要求。尽管USB相较于RS-232有很多好处,结果证明要对USB界面做电气隔离并不像对其它接口做电气隔离那么简单。

要对USB做电气隔离较为困难,因为这是一种差动、双向,且需要配置(藉由上拉和下拉)电阻来指定速率的总线。双向的本质呈现出一个重大的挑战,因为必须有一些方法来确定数据的传输方向。在一个隔离的USB接口中,这个信息必须跨越隔离层。流量控制是由数据结构,而不是透过控制信号。

USB接口有4条信号线:

VDD

D+

D-

VSS

VDD是5V电源,VSS是参考接地,而D +和D -是差动信号。更复杂的是,D +和D-,也可以用来发送单端数据,并用它们来确定总线的状态。在总线端的上拉和下拉电阻设定USB接口的速度和闲置状态。根据定义,只能在3个速率下传输数据:

每秒1.5 Mb(低速)。

每秒12 Mb(全速)。

每秒 480 Mb(高速)。

USB 2.0标准支持这3种数据速率(USB 1.1只支持低速和全速数据速率)。重要的是,请注意设备可以兼容USB 2.0但不支持每秒480 Mb的速率。

由于标准的光耦合器具有单向的特性,一个使用光耦合器或其他单向隔离器的电气隔离的接口必须首先将USB信号转换成一组单向信号。这里微控制器的D+/D-线也被转换成单端、单向的SPI信号。然后使用USB串行接口方块,或USB控制器将这些信号隔离,再转换回USB信号。由于该控制器增加了多个部件,并增加了一些线路,而不是一个简单的两线总线,其结果是价格昂贵,消耗相当大的电路板空间,并需要更多的设计时间(部分原因是微控制器需要软件配置)。这样复杂的实现方式是造成医疗系统的设计工程师迟迟没有采用USB接口的主要原因。

图3:透过一个SPI接口的隔离型SIE

单封装USB隔离

隔离USB更简单、更具成本效益和更省空间的方法,是使用专用的USB隔离器,可直接插入到D+/D- USB信号路径。这种隔离技术目前已经存在,而且还提供了增强的电气隔离,可高达5 kVrms,并支持低速和全速数据传输速率。

不像光耦合器使用LED和光敏晶体管,透过光线传输来传输数据越过隔离层,基于最新的技术所做的隔离,可以利用平面变压器跨越20μm厚的聚酰亚胺绝缘层传输数据,并可承受高达6 kVrms。数据的传输是藉由电场感应,从一个线圈传到另一个。

图4:隔离型外部USB收发器

隔离式USB的好处

与光耦合器相比,使用单封装,专用USB隔离器有一些好处。使用变压器允许将数据在隔离层上双向传输。虽然这一技术使用专用变压器来传输和接收信号,所有线圈都是相同的,并包含在一个封装内。光耦合器则无法这么做;要达成相似的工作,光耦合器需要分开的部件来处理每个方向的通信。

本质上,变压器的速度也高于光耦合器的LED─光敏晶体管组合。这使得隔离器可以支持USB所要求更高的数据速率和更短的传播延迟。隔离器也消耗较少的功率,使其能够满足USB的严格待机功率要求。

最关键的优点是,这种隔离技术是能够整合更多的功能到隔离器产品。整合可节省空间等优点,其中的USB隔离器比起使用USB收发器和光耦合器的多芯片设计可减少75%的电路板空间。

图5:隔离D+/D- 线路

随着具有成本和空间优势,且易于实现的电气隔离USB技术,医疗器材可以开始利用USB接口的优点。在医疗系统,例如,家中病人的监护仪使用电气隔离的USB埠,可以使实时连接在家病人和医生,提供更好,更准确的服务。由于具有电气隔离的USB接口,家庭监护仪可以连接到个人计算机,透过因特网将实时数据传送到医院。符合IEC 60601医用级安规认证,具有电气隔离USB的系统甚至可以在病人做心脏电击时保持连接。

结论

在建构医疗系统时,想利用USB的好处而使越来越多接口采用USB的同时,也带来了挑战。在这些系统要做到USB的电气隔离是困难和昂贵的,但使用USB所带来的效能和成本效益不容忽视。幸运的是,一个新的USB隔离器正被开发出来以解决这个问题。这种技术可以直接隔离差动、双向的D +和D- USB信号线。