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醫(yī)療穿戴 PCB：生物信號(hào)采集的抗干擾與精度保障
醫(yī)療穿戴設(shè)備的重要價(jià)值是精確采集生物信號(hào)，比如心電信號(hào)只 0.05-5mV，血氧信號(hào)波動(dòng)幅度不足 1%，一旦受干擾，數(shù)據(jù)誤差可能導(dǎo)致誤診。而 PCB 作為信號(hào)傳輸?shù)臉蛄?，設(shè)計(jì)是否合理直接決定抗干擾能力與采集精度。對(duì) PCB 行業(yè)人員來(lái)說(shuō)，要重點(diǎn)突破接地、屏蔽、線(xiàn)路、運(yùn)動(dòng)適配”四大設(shè)計(jì)難點(diǎn)，才能守住醫(yī)療數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性底線(xiàn)。
醫(yī)療穿戴設(shè)備的生物信號(hào)極易被共地干擾影響，比如設(shè)備同時(shí)連接人體和充電線(xiàn)，市電的50Hz干擾會(huì)通過(guò)接地回路竄入信號(hào)線(xiàn)路，讓心電波形出現(xiàn)雜波。PCB 的接地設(shè)計(jì)要跳出普通穿戴的單點(diǎn)接地思維，改用浮地 + 分區(qū)接地方案。具體做法是：將 PCB 的信號(hào)接地與電源接地完全分開(kāi)，形成 雙接地系統(tǒng)，兩者只在蕞后通過(guò)一個(gè) 100Ω 的限流電阻連接，避免電源干擾竄入信號(hào)端；同時(shí)在生物信號(hào)采集區(qū)做浮地設(shè)計(jì)，不直接連接設(shè)備外殼或市電接地，讓信號(hào)回路單獨(dú)于外部接地系統(tǒng)。
醫(yī)療場(chǎng)景的干擾源復(fù)雜，醫(yī)院的 MRI 設(shè)備、家用的微波爐、設(shè)備自身的藍(lán)牙模塊，都會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，干擾生物信號(hào)。PCB 需要通過(guò)屏蔽設(shè)計(jì)構(gòu)建防護(hù)屏障，重點(diǎn)做兩件事：一是 內(nèi)部屏蔽，在 PCB 上用 1-2mm 寬的接地銅箔，把生物信號(hào)線(xiàn)路圍成屏蔽框，銅箔每隔 3mm打一個(gè)接地過(guò)孔，連接到內(nèi)層接地層，形成 電磁隔離帶，阻斷 MCU、藍(lán)牙芯片等內(nèi)部元件的干擾；二是外部屏蔽，對(duì)關(guān)鍵信號(hào)元件，在 PCB 上預(yù)留屏蔽罩焊接位，選用 0.15mm 厚的鈹銅屏蔽罩，罩內(nèi)涂導(dǎo)電膠，確保屏蔽罩與接地銅箔緊密接觸，不漏電磁縫隙。
生物信號(hào)本身微弱，在 PCB 線(xiàn)路中傳輸時(shí)，任何損耗都會(huì)導(dǎo)致精度下降，比如心電信號(hào)經(jīng)過(guò) 50mm 長(zhǎng)的普通線(xiàn)路，衰減可能達(dá) 20%，蕞終采集到的數(shù)據(jù)會(huì)嚴(yán)重失真。PCB 線(xiàn)路設(shè)計(jì)要遵循短、直、低損耗原則：首先是短路徑布線(xiàn)，將生物傳感器與信號(hào)放大芯片的距離控制在 15mm 以?xún)?nèi)，避免線(xiàn)路過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致衰減，比如某動(dòng)態(tài)血壓儀的 PCB，把壓力傳感器和放大芯片間距從 30mm 縮到 12mm，信號(hào)衰減從 18% 降到 5%；其次是低損耗基材選擇，生物信號(hào)線(xiàn)路要用介損 Df≤0.008 的基材，比普通 FR-4的信號(hào)損耗減少一半；同時(shí)線(xiàn)路要做阻抗匹配，比如心電線(xiàn)路的阻抗嚴(yán)格控制在 1kΩ±5%，避免阻抗突變導(dǎo)致信號(hào)反射。
醫(yī)療穿戴設(shè)備多在人體運(yùn)動(dòng)時(shí)使用，人體活動(dòng)會(huì)讓PCB彎曲、振動(dòng)，導(dǎo)致線(xiàn)路電阻變化，進(jìn)而干擾生物信號(hào)，比如柔性 PCB 彎曲時(shí)，線(xiàn)路電阻可能從 100Ω 升到 120Ω，讓血壓檢測(cè)出現(xiàn) 10mmHg 的誤差。PCB 設(shè)計(jì)要做好 動(dòng)態(tài)適配：一是在彎曲區(qū)域采用網(wǎng)格布線(xiàn)，用 0.1mm 細(xì)線(xiàn)路織成網(wǎng)狀，比單條粗線(xiàn)路的抗彎曲能力強(qiáng) 3 倍，彎曲 1 萬(wàn)次后電阻變化率≤2%；二是將生物信號(hào)元件避開(kāi)彎曲半徑小于 8mm 的區(qū)域，放在 PCB 的平整段，避免元件振動(dòng)影響信號(hào)采集。
現(xiàn)在醫(yī)療穿戴開(kāi)始向多參數(shù)集成發(fā)展，PCB 上的信號(hào)線(xiàn)路更多，干擾源更復(fù)雜。行業(yè)正在探索埋嵌式屏蔽、自適應(yīng)阻抗調(diào)節(jié)等新技術(shù)。只有持續(xù)突破抗干擾與精度保障技術(shù)，才能跟上醫(yī)療穿戴設(shè)備的升級(jí)步伐。
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