如何設(shè)計并保護(hù)醫(yī)療機(jī)器人PCB板

7/7如何設(shè)計并保護(hù)醫(yī)療機(jī)器人PCB板醫(yī)療級PCB板是開啟健康和護(hù)理未來的關(guān)鍵。隨著醫(yī)療保健行業(yè)朝著更先進(jìn)技術(shù)、更精密自動化水平邁進(jìn)，具備高級功能的醫(yī)療機(jī)器人將成為常態(tài)。

它們將不僅僅處理基本的維護(hù)任務(wù)。也許很快就能在診室或醫(yī)院中看到與機(jī)器人員工、護(hù)士甚至臨時外科醫(yī)生交流和互動的場景。這一場景雖然有些令人覺得不可思議，但考慮到這些技術(shù)多數(shù)非?？煽?，因此完全可能利用它們完成人類專家無法完成的工作。鑒于此，工程師該如何設(shè)計醫(yī)療級PCB板，適應(yīng)不同的現(xiàn)場需求和狀況呢？

電路板設(shè)計

設(shè)計過程可能略有出入，但總體架構(gòu)基本相同。以下是醫(yī)療機(jī)器人PCB板設(shè)計和開發(fā)階段的部分通用步驟：

1.創(chuàng)建原理圖。第一步是收集所有相關(guān)信息，開始創(chuàng)建PCB圖紙或原理圖。這是最初的計劃階段，應(yīng)該仔細(xì)考慮設(shè)計的電路板類型、材料選型、功耗要求以及其他關(guān)鍵因素，如排序或分割內(nèi)電層等。醫(yī)療級PCB板必須遵循非常復(fù)雜的技術(shù)規(guī)范。

需要重點了解的是，原理圖只是一個總體的指導(dǎo)原則。雖然必須滿足規(guī)范要求，但隨著工作=進(jìn)展，部分其他要素也可能發(fā)生變化。例如，如果發(fā)現(xiàn)某些設(shè)計不當(dāng)或不如預(yù)期高效，可能會考慮采用不同的器件布局設(shè)計。

2.選擇電路板外殼。外殼很重要的，可保護(hù)電路板不外露，避免受其他狀況影響——這對于機(jī)器人內(nèi)部設(shè)備尤為重要。但由于PCB板通常是定制化設(shè)計，因此還需定制外殼確保與電路板匹配。在開始開發(fā)前，需要投入大量時間選擇材料和設(shè)計，并采購或生產(chǎn)元件。

以下是在選擇外殼時需要考慮的部分事項：

?外殼最宜采用哪種配置——立式還是臥式？

?外殼需要支持多少板層？

?是否需要裁剪或修整電路板，適應(yīng)外殼形狀？

?哪些地方可以鉆孔，有哪些安全防護(hù)措施？

?理想的布線寬度和間距是多少？

?是否存在電氣間隙及檢查孔，是否需要專門添加？

?生產(chǎn)或獲取額外元件需要多少時間？

3.器件布放。無論是在設(shè)計還是組裝階段，器件布放花費的時間都最長。器件布局必須滿足機(jī)械和電氣要求，但也需要考慮性能方面——電路必須組合在一起。這可能需要圍繞板面移動器件，通過測試響應(yīng)或響應(yīng)時間確定最佳配置。

此外，除了首選器件外，還應(yīng)儲備替代器件。測試其成功率和失敗率非常重要。如果發(fā)現(xiàn)某一器件不符合標(biāo)準(zhǔn)，就能使用替代品進(jìn)行更換——前提是已對替代品進(jìn)行過了測試。

4.規(guī)劃主要電流走向。雖然有一些自動選路工具，但也需要認(rèn)識到它們的局限性。這類工具并不總是遵循最優(yōu)流程，所以有必要檢查功耗曲線，并在必要時進(jìn)行手動調(diào)整。

無論如何，每一次PCB設(shè)計和組裝流程都應(yīng)該考慮到這一點。適當(dāng)?shù)拈g距、布線寬度、接地面和信噪比(SNR)是構(gòu)建PCB板的關(guān)鍵要素。

5.創(chuàng)建測試點。在組裝前、組裝期和組裝后，電路板的主要測試點分別在哪里？測試點越多，越有助于減少誤差，確保在運行過程實現(xiàn)理想狀態(tài)。更重要的是，根據(jù)所選的設(shè)計和布局，每個電路板都是唯一的，因此在每次更改或更新時都需要評估適當(dāng)?shù)臏y試方式——在后續(xù)的產(chǎn)品修訂中也應(yīng)如此。

完整的文檔記錄不可或缺，所以務(wù)必記錄下測試流程、位置和結(jié)果，并妥善保管這些信息。

6.組裝。流程最后一步當(dāng)然是對電路板進(jìn)行組裝。這一步包括初始電路板開發(fā)、錫膏噴印和焊接、器件挑選和布放，以及其他任何微小的調(diào)整。最后必須經(jīng)過檢查確保質(zhì)控。隨后，視必要插入通孔器件。

必須進(jìn)行功能測試，確保電路板、所有器件和產(chǎn)品本身處于完好工況。

PCB板保護(hù)

按照設(shè)計規(guī)格開發(fā)PCB板時，需要考慮很多事情，尤其是物理保護(hù)和耐腐蝕。例如，必須妥善計劃組裝過程，為嵌入式及焊接器件提供通孔器件安裝、貼裝或表面貼裝方案。成品通常用于醫(yī)療成像系統(tǒng)，如CT和CAT掃描儀，以及心率、血壓和血糖監(jiān)測儀。

為對醫(yī)療級的PCB板提供保護(hù)并制定更安全的設(shè)計規(guī)劃，需要充分了解設(shè)計規(guī)格、要求、用途和最終產(chǎn)品。如有必要，可以創(chuàng)建一個表面貼裝式的電路板，確保使用過程及可能遇到的狀況不會影響器件安全。

大多數(shù)醫(yī)療級設(shè)備不會遭受極端的使用環(huán)境，但可能用于無菌環(huán)境。它們可能應(yīng)用于人體內(nèi)，還可能遇到其他復(fù)雜環(huán)境。即使在最初設(shè)計和規(guī)劃階段，還必須考慮到這些情況和可能性。

醫(yī)療機(jī)器人可以在體內(nèi)和體外使用。這將隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步而改變和發(fā)展。想象一下，納米機(jī)器人可以進(jìn)入患者血液評估健康狀況，還可進(jìn)行醫(yī)學(xué)測量或治療小型疾病。它們甚至可用于牙科或治療用途。這些設(shè)備中的PCB板均十分微小，因此緊湊型設(shè)計無疑不可或缺。

設(shè)備和器件保護(hù)需要考慮許多不同的場景。常見因素有：

如何使用該設(shè)備？

設(shè)備會接觸哪些條件？

是否需要對機(jī)器進(jìn)行清洗或消毒，PCB板是否需要防潮？

使用了哪些材料？

電路布局是怎樣的，需要安裝哪些器件？

采用了哪種組裝工藝？是否有更優(yōu)的選擇？

PCB器件的布放和布局的設(shè)計是一項復(fù)雜的流程，即使是小型DIY項目，機(jī)器人也需要循線或循墻移動，避開路徑上的障礙。必須滿足項目的機(jī)械需求，通過對電路進(jìn)行分組實現(xiàn)更高的效率和可靠性，確保所有元件都能無縫安裝到電路板上。這也僅僅是電路板本身的設(shè)計，選材、焊接、組裝工藝和外殼也很重要。

PCB板設(shè)計存在的挑戰(zhàn)

了解如何為醫(yī)療應(yīng)用和機(jī)器人構(gòu)建印制電路板只是一個開始。每種應(yīng)用或機(jī)器人都需要獨立的設(shè)計，這有可能會遇到以下幾種困難：

?質(zhì)量：醫(yī)療級PCB板具有不容妥協(xié)的更高標(biāo)準(zhǔn)，需要符合ISO13485標(biāo)準(zhǔn)。即，當(dāng)技術(shù)和監(jiān)管要求發(fā)生變化時，設(shè)備仍能符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此，重點在于風(fēng)險管理和基于風(fēng)險的決策以及供應(yīng)鏈的變化。

?風(fēng)險管理：如果智能手表或智能手機(jī)出現(xiàn)故障，簡單重啟不會對任何人造成傷害。但如果像心臟起搏器這樣的醫(yī)療級設(shè)備或支持技術(shù)出現(xiàn)問題，患者則有可能會失去生命。醫(yī)療機(jī)器人和設(shè)備必須符合ISO14971標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)可托付實際使用的安全可靠等級。

?原型設(shè)計：醫(yī)療級的PCB板和醫(yī)療機(jī)器人將需要越來越多的定制化設(shè)計，以處理更復(fù)雜的任務(wù)。適當(dāng)?shù)脑驮O(shè)計系統(tǒng)必須到位，從而建立有效的產(chǎn)品，并以安全、負(fù)責(zé)任的方式對其進(jìn)行測試和使用。

?生物友好型材料：在人體內(nèi)外使用的材料必須與人體相容，包括PCB板、器件和電路的材料。對于那些將在體內(nèi)無限期使用的設(shè)備（例如心臟起搏器）而言尤為如此。為了患者的健康，必須確保這些器件能夠被接受并正常工作。

?制造和組裝：電路的制造需要時間，但通過更智能的組裝方式可以在不影響質(zhì)量的情況下提高產(chǎn)量。從某種程度上講，設(shè)計也需要將這一挑戰(zhàn)考慮在內(nèi)，因為過于復(fù)雜的布局會使情況復(fù)雜化，并可能會引起故障。應(yīng)給予這一步驟很大的關(guān)注。

醫(yī)療行業(yè)的未來

醫(yī)療機(jī)器人將有助于塑造健康和醫(yī)療行業(yè)的未來。它們可以提高護(hù)理和服務(wù)效率、處理日益復(fù)雜的任務(wù)并彌補(bǔ)現(xiàn)場人工短缺。美國醫(yī)學(xué)院聯(lián)合會(AAMC)預(yù)計，到2033年，醫(yī)生數(shù)量缺口將達(dá)到13.9萬人。這些機(jī)器人尺寸