作者：是德科技醫療解決方案市場經理Lorie Jurkovich

在高速數字技術的推動下，各種復雜的醫療系統快步發展，這也使得醫療領域的諸多服務在性能、精度和效率上大幅提升。醫學成像系統在骨科、產科、神經科、心臟病學等各個醫療領域的早期檢測和診斷中發揮著至關重要的作用。手術機器人、醫院專用機器人和遠程醫療系統可以輔助醫療從業者檢測和診斷病情，提升護理質量，甚至延長患者的生命。上述所有功能都需要通過高速數字信號來實現，這也就意味著整個系統的信號完整性極其重要。

軟件創新催生出更多高速數字硬件

由軟件驅動的智能自動化功能，為這些復雜的醫療系統提供了主要價值。醫療設備中的軟件能夠處理和去除影像中的噪點，生成 3D 影像，并訓練和使用神經網絡來對圖像進行分割與分類。例如，核磁共振成像（MRI）使用的軟件算法能夠識別并突出顯示腫瘤或骨折等異常情況，幫助放射科醫生做出診斷。

隨著軟件的使用日益增多，這些復雜的醫療系統便能夠部署到越來越具有挑戰性的應用中。在這些應用中，出色的可靠性、速度和低時延對于保障客戶安全至關重要。這就意味著設備的數字硬件性能必須提升，以便實現更快的數據檢測、數據采集和信號處理，因而需要有更多更快的數字處理器和影像著色處理器、更高速的存儲器、更快的時鐘速率、更高的幀速率、更快的互連以及先進的數字邏輯技術和多電平信令方案，包括 PAM4、PAM8、PAM16 和非歸零（NRZ）邏輯。此外，近年來網絡安全威脅日益嚴重，監管機構也對保護患者隱私提出了嚴格要求，這些因素都推動著整個行業采用數字硬件來完成數據混淆、加密和有效性檢查等任務。

高速數字硬件的增加給測試帶來了挑戰

大量使用高速數字硬件帶來了復雜的測試挑戰，具體表現在以下幾個方面。低比特誤碼率可能會影響患者的安全和醫療設備的可靠性，因此如何識別低比特誤碼率非常關鍵。數據量的增加意味著，即使比特誤碼率很低，也可能導致大量誤碼，因為誤碼會隨時間迅速累積。醫學診斷在很大程度上依賴于系統各個元器件之間傳輸數據的準確性。例如，在 MRI 或 CT 掃描儀等用于診斷的成像系統中，數據傳輸或處理過程中的錯誤會導致由大量數字數據生成的影像失真等問題，有可能造成誤診。

在高速數字硬件中，PCB 電路板上的元器件密度增加，意味著布線空間的減少，必然導致電路板層數的增加，測試難度也會隨之加大。元器件的封裝設計越緊湊，功率密度就越高，可能造成電路板局部發熱。然而，醫療設備需要精密的溫度控制，才能保障設備功能和患者安全，不完善的熱管理可能導致過熱、元器件故障或溫度升高引發的性能下降。

高速數字硬件還帶來一些額外的測試挑戰。由于時鐘速率和數據傳輸速率的提高，眼圖對信號噪聲和抖動的容許誤差會變小。具有更多過孔的多層電路板需要通過復雜的制造工藝來提高信號完整性。此外，元器件密度的提升要求走線寬度變窄，與較寬的設計相比，出現意外開孔的可能性會增加。由于布線的空間被壓縮，發生串擾的可能性會更大，因為磁場可能在整個回路上產生感應電壓，而電場則可能形成寄生電容。

在設備制造前進行仿真不可或缺

為了應對高速數字硬件面臨的測試挑戰，降低醫療系統中的風險，在將設計交付生產制造之前，對電路板運行進行仿真這個環節至關重要。雖然仿真可能無法發現所有潛在問題，卻能夠盡最大可能排查出更多問題，在這方面發揮著重要作用。在生產制造前對器件進行仿真具有以下幾個優勢。它有助于提高電路板的實際性能，縮減反復設計硬件原型的次數，從而節省時間和成本。仿真還能加快原型的開發速度，盡量避免對電路板進行計劃外的修改、測試和記錄。通過仿真還可以排除可能被誤認為是故障的錯誤信號，從而快速推進固件和軟件測試。除此之外，解決這些問題對于 PAM4、PAM8、PAM16 和 NRZ 等高級數字邏輯協議有著至關重要的意義，因為這些協議對信號質量波動的容許誤差比較小。

使用仿真軟件可以對復雜的高速 PCB 電路板進行信號完整性分析。圖 1 展示了一個使用仿真軟件分析抖動對眼圖影響的示例。通過使用仿真軟件可以同時表征信號網和功率網的損耗和耦合。仿真軟件還能幫助用戶提取并無縫傳輸準確的電磁（EM）模型，以便在 ADS 瞬態和通道模擬器中使用。用戶還可以通過仿真軟件在進行 EM 提取之前快速檢查走線阻抗，進而節省時間。這樣可以降低患者的隱私數據或影像出現錯誤的風險。

圖 1：利用仿真軟件分析抖動對眼圖的影響。

在 PCBA 打樣加工完成后進行信號完整性測量意義重大

工程師即便使用了信號仿真軟件，也極其謹慎地完成了布線和印刷電路板組件（PCBA）打樣加工，但考慮到多方面的原因，工程師仍然需要在加工制造之后，使用示波器來測量電路板的信號完整性。雖然遵循了技術指標和規格要求，但元器件內部還是會存在一些變化，而信號完整性分析軟件無法完整地說明其原因。此外，元器件通常具有固有的阻抗、電容和電感等寄生模擬特性，這些特性都沒有對應的技術指標。表面貼裝（SMT）器件的貼裝工藝容易受到各種變化的影響，可能導致焊盤上的元器件偏離中心位置。此外，鋼網工藝可能無法始終如一地形成完美的焊料塊，在持續使用之下，焊料堆積的尺寸會縮小。長此以往，焊料的化學成分和特性可能會發生細微變化，影響銅焊盤和 SMT 器件之間的焊點結合。另外，回流爐內的正常波動會影響焊料的回流特性。即使在焊接點上建立了電氣連接，焊接的牢固度也可能不夠，存在翼形部件缺失焊腳、板載無源 SMT 電阻器、球柵陣列（BGA）接頭枕頭效應等現象。在制造完成后使用示波器有助于全面評估和解決這些因素可能導致的信號完整性問題。

圖 2：示波器分析信號完整性問題。

通過示波器可讓工程師了解復雜設計中錯綜復雜的相互作用。如圖 2 所示，示波器能夠同時測量多達八個通道，從而快速檢查加工生產出來的 PCBA 是否存在信號完整性問題。工程師通過使用示波器可進行邏輯分析、實時頻譜分析（RTSA）、串行協議分析、波形生成、頻率響應和相位噪聲測試。由于醫療系統對數據通信速度有較高的需求，因此會使用較高的數據傳輸速率和間距較小的并行數據通道。如此一來，電磁耦合（即串擾）會增加。此外，電源會對它們所驅動的數據通道產生噪聲和抖動之類的干擾；反過來，數據相關噪聲也會對電源產生影響，例如同步開關噪聲（SSN）就會導致接地反彈。示波器能夠檢測和量化串擾，判斷主要是哪些干擾源導致了串擾，還能檢測和診斷抖動、垂直噪聲和相位噪聲。

結語

高速數字技術在成像、診斷、遠程醫療、個性化醫療和患者護理等領域助力實現了一系列先進功能，徹底改變了復雜的醫療系統，帶來了更高效、更有效和以患者為中心的醫療服務。打造高速數字醫療系統始終是一項挑戰。隨著數據傳輸速率和影像分辨率的提高，再加上邊緣計算被越來越多地嵌入到系統當中，要想保持與應用相匹配的信號完整性，工程師所面臨的難度也不斷加大。通過在 PCB 電路板加工制造前使用仿真軟件，以及在加工制造后使用帶有強大軟件功能的示波器，就可以把具備所需功效和安全性的產品推向市場，降低患者所面臨的風險。