Las fuentes de energía en las aplicaciones médicas enfrentan requisitos y estándares que van más allá de lo especificado para aplicaciones más pedestres. Estos incluyen un mayor aislamiento entre la tensión de salida y la energía de alimentación y a tierra además de menos emisiones EMI/RFI. Se espera que estos dispositivos consuman una parte cada vez mayor en el mercado general de los suministros de energía en los próximos años debido al incremento en la producción de dispositivos médicos más pequeños y portátiles en Occidente, además de un mayor uso de equipo médico de todos los tipos en Asia.
La reglamentación vigente para suministros de energía médicos en todo el mundo es IEC (Comisión Internacional Electrotécnica) 60601-1. Una división principal de la reglamentación se basa en dónde el equipo entra en contacto con el paciente. Tipo B (de "Body" (cuerpo)) es para equipo que solamente opera en las cercanías del paciente; Tipo BF ("body floating" (cuerpo flotante)) es para equipo que toca al paciente; y tipo CF ("cardio floating" (cardio flotante)) es para suministros médicos que están pensados para equipo que puede entrar en contacto con el corazón.
Veamos la palabra "flotante" en los tipos BF (cuerpo flotante) y CF (cardio flotante). Esta palabra se refiere en estos casos a que los suministros médicos de energía que cumplen con estos estándares, a diferencia de la mayoría de los equipos electrónicos, no tienen conexión a tierra. En su lugar, "flotan" con respecto a la tierra. Los suministros médicos de energía tienen estándares muy altos de IEC 60601-1 en cuanto a sus corrientes de dispersión máximas permitidas, lo que representa la corriente máxima permitida, medida en microamperios, que podría de manera inadvertida fluir por el paciente hacia tierra.
La compensación más difícil en los suministros de energía para dispositivos médicos es la corriente de dispersión baja y el buen filtrado de EMI/RFI, y eso es porque los capacitores necesarios para un filtro efectivo también tienden a permitir la fuga de corriente. Los diseñadores obtuvieron mucho éxito en resolver este acertijo usando la conmutación de tensión cero (ZVS). Esta solución implica desacelerar las ocasiones de ascensos y caídas de pulsos de frecuencia alta inherentes a conmutadores y tiene el efecto de hacer descender la EMI. Así, el suministro de energía exige menos filtrado, y por lo tanto desciende su corriente de dispersión. Esta técnica sería imposible de alcanzar usando los bucles de retroalimentación análoga tradicionales, que fueron alguna vez tan comunes en los equipos eléctricos. Los modernos suministros de energía médicos emplean controladores digitales integrados, que pueden programarse para implementar ZVS. Estos controladores se emplean también para cambiar los pulsos en respuesta a cambios en la corriente que necesita el dispositivo médico, y para fluctuaciones en la alimentación de CC.
Incluso dentro del campo médico, algunos tipos de situaciones exigen de una protección mayor de EMI que otras. Por ejemplo, en situaciones de diagnóstico, a menudo se exige que el equipo médico registre los cambios más sutiles en señales que se crean o reflejan desde el cuerpo del paciente. En estos casos, incluso una cantidad minúscula de EMI puede dañar los sensores del equipo, por ello se necesita el mejor filtrado posible.
Los suministros de energía médicos pueden estar dentro de las unidades que energizan, montados en un panel de circuito o al chasis. Además pueden ser externos, y algunos de estos son de la variedad de Alimentación a través de Ethernet (POE, por sus siglas en inglés), que puede suministrar energía por cables Ethernet, obviando la necesidad de un cable de energía separado. Las unidades pueden ser especificadas para ofrecer una, dos o más salidas de tensión diferentes dependiendo de las necesidades del diseñador.
El MINT1045A2475K01 de SL Power Electronics es un ejemplo de un marco abierto de suministro de energía de CA a CC que ofrece 24 voltios CC a 1,9 amperios, pero solo ocupa 2 pulgadas por 3 pulgadas y tiene solo 1,0 pulgadas de alto. Y quizás más importante para las aplicaciones médicas clínicas, ofrece dos niveles de protección MOPP. La hoja de datos del MINT1045A2475K01 revela que esta unidad es un miembro de la familia de productos similares que ofrecen 12, 15, 28, o 48 VDC. Todos los miembros de esta familia ofrecen aislamiento de entrada/salida de 4500 VAC, y aislamiento de entrada/tierra y salida/tierra clasificada en 1900 VAC. Lo que transmiten estos últimos valores es la cantidad de tensión externa inesperada que las unidades pueden soportar sin tener fallas. Tanto el MINT1045A2475K01 como los modelos de 12 y 15 voltios están clasificados para corrientes de dispersión de 30 microamperios.
Debido a que el diseño y la construcción de los suministros de energía médicos imponen muchos obstáculos, especializados y que fácilmente se pasan por alto, que ni la mayoría de los diseñadores de suministros de energía encuentran, su fabricación se deja a cargo de especialistas. Los ingenieros no tan al tanto de los problemas altamente esotéricos implicados, deben siempre evitar las tentaciones de intentar ahorrar en costos y diseñar las fuentes de energía ellos mismos. Las consecuencias podrían ser un producto médico que tenga rendimiento bajo por problemas de EMI y la posibilidad muy real de exponer a los pacientes a peligrosos y hasta fatales riesgos de shock.
Veamos la palabra "flotante" en los tipos BF (cuerpo flotante) y CF (cardio flotante). Esta palabra se refiere en estos casos a que los suministros médicos de energía que cumplen con estos estándares, a diferencia de la mayoría de los equipos electrónicos, no tienen conexión a tierra. En su lugar, "flotan" con respecto a la tierra. Los suministros médicos de energía tienen estándares muy altos de IEC 60601-1 en cuanto a sus corrientes de dispersión máximas permitidas, lo que representa la corriente máxima permitida, medida en microamperios, que podría de manera inadvertida fluir por el paciente hacia tierra.
Los niveles múltiples de protección son obligatorios
El estándar de IEC 60601-1 está comprometido también con la obligatoriedad de niveles múltiples de seguridad, o medios de protección (MOP por sus siglas en inglés), de modo que se requiere más de una falla en el suministro de energía para que haga que este cause, potencialmente, un daño. Estos estándares de cumplimiento de seguridad se dividen en medios de protección del operador (MOOP, por sus siglas en inglés) y medios de protección del paciente (MOPP, por sus siglas en inglés). Debido a que el paciente puede estar menos saludable que el operador y porque el equipo tendrá un contacto más íntimo y cercano con el paciente que con el operador, los requisitos MOPP son más estrictos que los estándares MOOP. Estas protecciones incluyen un aislamiento sólido, amplios requisitos de espacio físico (con distancia eléctrica definida como espacio requerido entre dos puntos para que sea considerado un MOP), además de aislamiento eléctrico entre elementos de tensión de red, la sección de tensión alta (que son todos interruptores) y la salida de CC de la unidad.La compensación más difícil en los suministros de energía para dispositivos médicos es la corriente de dispersión baja y el buen filtrado de EMI/RFI, y eso es porque los capacitores necesarios para un filtro efectivo también tienden a permitir la fuga de corriente. Los diseñadores obtuvieron mucho éxito en resolver este acertijo usando la conmutación de tensión cero (ZVS). Esta solución implica desacelerar las ocasiones de ascensos y caídas de pulsos de frecuencia alta inherentes a conmutadores y tiene el efecto de hacer descender la EMI. Así, el suministro de energía exige menos filtrado, y por lo tanto desciende su corriente de dispersión. Esta técnica sería imposible de alcanzar usando los bucles de retroalimentación análoga tradicionales, que fueron alguna vez tan comunes en los equipos eléctricos. Los modernos suministros de energía médicos emplean controladores digitales integrados, que pueden programarse para implementar ZVS. Estos controladores se emplean también para cambiar los pulsos en respuesta a cambios en la corriente que necesita el dispositivo médico, y para fluctuaciones en la alimentación de CC.
Incluso dentro del campo médico, algunos tipos de situaciones exigen de una protección mayor de EMI que otras. Por ejemplo, en situaciones de diagnóstico, a menudo se exige que el equipo médico registre los cambios más sutiles en señales que se crean o reflejan desde el cuerpo del paciente. En estos casos, incluso una cantidad minúscula de EMI puede dañar los sensores del equipo, por ello se necesita el mejor filtrado posible.
La corriente de dispersión es un parámetro crítico
De igual modo que en todos los suministros de energía de conmutación, un componente central de un suministro de energía es el transformador que transfiere energía de la alimentación al resto de la unidad. Independientemente de cuán bien armado está el transformador, hay cierta capacitancia perdida entre sus dos bobinas, y esta es la fuente principal de corriente de dispersión que debe reducirse en todos los costos debido al riesgo de electrocución que genera. Un modo común, aunque costoso de reducir la pérdida es imponer un conversor de CC-CC extra en serie con el primero en la cadena de energía. Entonces, la capacitancia efectiva a través de la cual se origina la corriente de dispersión es comparable al valor de los dos capacitores en serie, que es siempre menor que cualquier capacitor por sí mismo. La inclusión de un conversor CC-CC tiene el beneficio adicional de agregar un MOP extra, o medios de protección. Tal como se describió antes, los MOP son salvavidas potenciales, y son un requerimiento para la certificación 60601-1.Los suministros de energía médicos pueden estar dentro de las unidades que energizan, montados en un panel de circuito o al chasis. Además pueden ser externos, y algunos de estos son de la variedad de Alimentación a través de Ethernet (POE, por sus siglas en inglés), que puede suministrar energía por cables Ethernet, obviando la necesidad de un cable de energía separado. Las unidades pueden ser especificadas para ofrecer una, dos o más salidas de tensión diferentes dependiendo de las necesidades del diseñador.
El MINT1045A2475K01 de SL Power Electronics es un ejemplo de un marco abierto de suministro de energía de CA a CC que ofrece 24 voltios CC a 1,9 amperios, pero solo ocupa 2 pulgadas por 3 pulgadas y tiene solo 1,0 pulgadas de alto. Y quizás más importante para las aplicaciones médicas clínicas, ofrece dos niveles de protección MOPP. La hoja de datos del MINT1045A2475K01 revela que esta unidad es un miembro de la familia de productos similares que ofrecen 12, 15, 28, o 48 VDC. Todos los miembros de esta familia ofrecen aislamiento de entrada/salida de 4500 VAC, y aislamiento de entrada/tierra y salida/tierra clasificada en 1900 VAC. Lo que transmiten estos últimos valores es la cantidad de tensión externa inesperada que las unidades pueden soportar sin tener fallas. Tanto el MINT1045A2475K01 como los modelos de 12 y 15 voltios están clasificados para corrientes de dispersión de 30 microamperios.
Debido a que el diseño y la construcción de los suministros de energía médicos imponen muchos obstáculos, especializados y que fácilmente se pasan por alto, que ni la mayoría de los diseñadores de suministros de energía encuentran, su fabricación se deja a cargo de especialistas. Los ingenieros no tan al tanto de los problemas altamente esotéricos implicados, deben siempre evitar las tentaciones de intentar ahorrar en costos y diseñar las fuentes de energía ellos mismos. Las consecuencias podrían ser un producto médico que tenga rendimiento bajo por problemas de EMI y la posibilidad muy real de exponer a los pacientes a peligrosos y hasta fatales riesgos de shock.