Brug tætte og fleksible sammenkoblinger til at designe kompakte og højtydende enheder til patientovervågning

Patientovervågning af mange kroniske sygdomme og medicinske tilstande er i hastig vækst, og det kan være afgørende for at fremskynde helbredelsen, undgå komplikationer og opretholde et optimalt helbred. De typiske sammenkoblingssystemer til patientovervågningsudstyr transporterer data (undertiden inklusive billeder i høj opløsning), strøm og styresignaler inden for samt til og fra udstyret. Designere af disse systemer skal kæmpe med mange og ofte modstridende udfordringer, herunder mindre formfaktorer, flere funktioner og hurtigere datahastigheder, der kræver høj signalintegritet (SI) og glidende dataoverførsler.

Samtidig skal apparaterne være komfortable for patienterne og lette at bruge for både sundhedspersonale og patienter (hvor det er relevant) på trods af monitorernes kompleksitet og deres kritiske funktioner. Hvis du bruger en voluminøs, uhensigtsmæssig eller dårligt designet konnektor eller sammenkobling, kan det underminere disse mål og medføre unødige omkostninger.

For at imødekomme kravene i disse applikationer har designerne en række stadig mere raffinerede stik og forbindelser at vælge imellem. Afhængigt af kravene i den specifikke applikation kan designere f.eks. vælge flat flex (FFC) højdensitetsstik til billig automatiseret samling, fleksible printede kabler (FPC'er) med lille afstand mellem centerlinjerne, hvor wire-to-board-løsninger er upraktiske, eller USB Type-C®-stik, der giver kompakte, brugervenlige højhastighedsforbindelser.

I denne artikel gennemgås kort de behov, der er for sammenkobling af patientovervågningsudstyr, idet der ses på forbindelserne inden for udstyret og mellem udstyret og omverdenen. Derefter præsenteres eksempler på FFC-, FPC- og USB Type-C-stik fra Molex med angivelse af de vigtigste funktioner og fordele samt deres korrekte anvendelse.

Behov for forbindelser mellem flere kort

FFC'er kombineret med FPC'er kan opfylde de behov, som designere har for board-to-board-forbindelsessystemer med høj tæthed og høj hastighed til patientovervågningsudstyr. Nogle af disse stik kan bruges til både manuel og robotmontering og er udstyret med en enkelttrins parring med en automatisk låsemekanisme (Figur 1).

Figur 1: FFC'er og FPC'er kan bruges til både manuel og robotmontering og har en enkelttrins sammenføjning med en automatisk låsemekanisme. (Billedkilde: DigiKey)

FFC board-to-board-stik kan bruges til at understøtte datahastigheder på op til 40 gigahertz (GHz) og kan levere op til 80 forbindelser i flere lavprofilorienteringer, herunder retvinklet og lodret, for at give fleksible designmuligheder. Forbindelsesafstandene kan være mindre end en millimeter (mm) for at understøtte stramme emballagedesigns. Der findes ZIF- og ikke-ZIF-designs (Zero Insertion Force) for at opfylde behovene i specifikke applikationer.

Nogle FFC'er er specificeret til temperaturer på op til 150 grader Celsius (°C), og de er designet til brug med en række forskellige kabler, herunder generiske FFC-kabler, låsbare FFC-kabler eller specialfremstillede FFC-kabler. Disse stik kan ofte acceptere standard eller afskærmede FFC'er, og jordterminalerne understøtter behovene for højhastighedsprotokoller såsom LVDS (Low Voltage Differential Signaling). For at opnå maksimal ydeevne skal der anvendes skærmede kabler med stik med jordede terminaler.

Tilslutning af patientmonitorer til omverdenen

Patientovervågning er afgørende for at gøre det muligt for plejepersonalet at forstå, hvordan kroppen reagerer på behandlinger, der skal mindske eller afhjælpe virkningerne af en sygdom eller anden fysisk lidelse. Det kræver ofte, at de overvågede data sendes til udstyr uden for overvågningsenheden.

USB Type-C-stik kan være et godt valg til tilslutning af patientovervågningsenheder til eksternt udstyr såsom HDMI-skærme og datalagringssystemer. Disse stik har en symmetrisk og vendbar pinout, der understøtter brugervenlighed og fleksibilitet, da de kan tilsluttes i begge retninger (Figur 2).

Figur 2: USB Type-C-stik har en symmetrisk og vendbar pinout, der understøtter brugervenlighed og fleksibilitet. (Billedkilde: DigiKey)

USB Type-C-stik er nødvendige for at implementere de nyeste USB4-protokoller. USB4 er baseret på Thunderbolt 3-grænsefladen, giver mulighed for tunneling af DisplayPort- og PCI Express-data (PCIe) og understøtter en nominel datahastighed på 20 gigabit pr. sekund (Gbits/s), som kan udvides til 40 Gbits/s. USB4 giver mulighed for, at flere typer enheder dynamisk kan dele et enkelt højhastighedslink, der optimerer dataoverførslen efter type og applikation. Når tunneling anvendes, kan den nominelle datahastighed på 20 Gbit/s derfor resultere i en højere effektiv gennemstrømning, når der sendes blandede data, sammenlignet med USB 3.2.

USB Power Delivery (PD)-protokollen giver op til 20 volt, 5 ampere (A) og 100 watt til opladning og andre anvendelser, herunder udvidede dataoverførselsmuligheder. USB Type-C PD kan reducere batteriets opladningstid med 40 % til 64 % sammenlignet med opladningskapaciteten på 1,8 A for micro USB 2.0. USB PD's intelligente og fleksible strømstyringsfunktioner på systemniveau understøtter bidirektionel strømforsyning, der kan skifte retning i realtid, og muliggør Type-C-understøttelse af andre standarder som DisplayPort, HDMI eller PCIe.

Fast role swap (FRS) er en forbedring i den seneste version af USB Type-C PD-specifikationen. Designere kan bruge FRS til at mindske risikoen for tab af data og bevare SI i USB-periferiudstyr, f.eks. patientovervågningsudstyr, i tilfælde af uventet fjernelse af et strømkabel fra en hub eller dock. FRS implementeres inden for 150 mikrosekunder (µs), hvilket gør det muligt for batteriet at blive kilden og den anden enhed at blive sænken, så der opretholdes uafbrudt drift. Datakommunikationen fortsætter i en enkelt retning uden afbrydelse, hvilket bevarer systemdriften og forhindrer fejl, selv om strømforsyningsretningen vender om.

En anden forbedring af USB PD's ydeevne under USB4 er den programmerbare strømforsyningsfunktion (PPS). PPS muliggør små trinvise ændringer i spænding og strøm. Hvis en strømforsyning er tilsluttet en PPS-kompatibel strømkilde, kan den anmode om ændringer i den strøm, der leveres af kilden. PPS kan muliggøre hurtig opladning af lithium-ion-batterier og forbedre den samlede systemeffektivitet, hvilket reducerer den termiske belastning og understøtter højere systememballage-tætheder.

Board-to-board-stik til medicinsk overvågningsudstyr

Som nævnt ovenfor kan FFC'er kombineret med FPC'er opfylde det behov, som designere af patientovervågningsudstyr har for højdensitets- og højhastigheds board-to-board-forbindelsessystemer, der kan understøtte enten manuel eller robotmontering. Model 0541324062 fra Molex' Easy-On FFC/FPC-stikserie er et godt eksempel. Stikket har 40 positioner med guldbelægning på en 0,50 millimeter (mm) pitch (Figur 3).

Figur 3: Model 0541324062 Easy-On FFC/FPC-stik fra Molex har 40 positioner med guldbelægning i en pitch på 0,50 mm. (Billedkilde: Molex)

Model 0541324062 understøtter datahastigheder på op til 10 Gbits/s. Den positive træghedslås sørger for fuldstændig indføring af kablet og sikker sammenkobling. Stød- og vibrationsmodstand er sikret med en kabelfastholdelseskraft på 20 Newton (N). Robuste loddefaner sikrer fastholdelse af printkortet og aflastning af spændinger.

Sammen med Easy-On FFC/FPC-stikket model 541324062 anvendes model 0151660431 fra Molex' Premo-Flex FFC-jumperlinje, der passer til stikkets 40 positioner og 0,50 mm pitch og har en længde på 102,00 mm (Figur 4). Dette board-to-board-sammenkoblingssystem kan hjælpe designere med at løse udfordringer i applikationer med begrænset plads eller svært tilgængelige applikationer.

Figur 4: 015166060431 Premo-Flex FFC jumper med 0,50 mm pitch fra Molex har 40 positioner og er 102,00 mm lang. (Billedkilde: Molex)

Molex tilbyder Premo-Flex jumper i en række forskellige kabellængder, kredsløbsstørrelser, stigninger og tykkelser. Disse holdbare, ultrafleksible kabler, der er klassificeret til 105 °C, har en flexlevetid på 900.000 cyklusser sammenlignet med 6.000 cyklusser for standard jumperne.

Bemærk, at når du tilslutter eller afbryder en FFC-jumper fra et Easy-On FFC/FPC-stik, er det vigtigt at sikre, at alle forbindelser er uden spænding for at undgå gnister, der kan beskadige kontakterne. Ved åbning eller lukning af låseaktuatoren skal der også påføres kraft på begge sider af aktuatoren. Hvis der kun anvendes kraft på den ene side, kan det medføre skader på stikket. Når flexkablet sættes ind i stikket, må der ikke være nogen træk- eller spændingskraft på kablet. Ellers kan aktuatoren muligvis ikke låses korrekt, kablet kan blive beskadiget, eller banerne kan blive skåret over.

Eksterne forbindelser med høj hastighed

Stik som 1054500101 fra Molex' USB Type-C-serie kan understøtte fejlfri dataoverførsler til patientovervågning og høj SI, samtidig med at de leverer strøm til enheder (Figur 5). Molex bruger tre indsætningsstøbningsprocesser i sine USB Type-C-stik for at gøre den matchende tunge til en enkelt del og minimere vandindtrængning. Risikoen for løftede eller bøjede terminaler minimeres af yderligere tre støbningsprocesser, der resulterer i højere mekanisk holdbarhed og højere elektrisk pålidelighed. Disse stik giver en holdbar løsning, der er klassificeret til 10.000 parrings- og afparringscyklusser, og som kan modstå ukorrekte parringsforsøg og andet misbrug.

Figur 5: USB Type-C-stik som f.eks. 1054500101 kan understøtte fejlfri dataoverførsler og levere strøm til medicinske overvågningsenheder. (Billedkilde: Molex)

Disse højtydende stik har:

• Op til 40 Gbit/s datahastigheder til understøttelse af højhastighedsnetværksapplikationer
• Understøttelse af skærme i 4K-opløsning af høj kvalitet
• Afskærmning for at yde EMI/RFI-beskyttelse
• Forebyggelse af elektriske kortslutninger under sammenkobling ved brug af et mylar-stik mellem huset og skallen
• Stabil elektrisk ydeevne til understøttelse af højere strømkapacitet og minimale temperaturstigninger

Den øgede strømkapacitet og den meget snævre pin-afstand i USB Type-C-stik betyder, at designere skal være opmærksomme på potentielle sikkerheds- og brandrisici i tilfælde af termisk løbebane. Under normale forhold sikrer USB PD-strømreglerne en sikker drift. Skader på et stik eller kabel kan dog føre til drift uden for det sikre område. Beskyttelsesanordninger mod overstrøm og overtemperatur indgår ofte i designet af USB Type-C-stik og -kabler for at reducere risikoen for termisk løb.

SuperSpeed transmissionsdifferentialeparrene i USB Type-C-kabler har en differentiel impedans på 90 ohm (Ω). Konstruktioner, der anvender en alternativ tilstand, skal også kunne klare 90 Ω.

Konklusion

Efterhånden som behovet for patientovervågning stiger, har designere af sådanne systemer brug for stik og tilhørende forbindelseskabler og jumpere, der pålideligt kan transportere flere typer højhastighedsdata samt strøm- og kontrolsignaler både til og fra patienten. Forbindelserne skal ofte laves under trange pladsforhold til minimale omkostninger, samtidig med at de skal være lette at bruge og have minimal indvirkning på patientens komfort.

Som det fremgår, er FFC'er, FPC'er og USB Type-C-stik opstået for at løse disse udfordringer gennem effektiv samling, høj SI og større brugervenlighed. Ved at bruge den rigtige kombination af disse stik og forbindelser kan designere løse de iboende komplekse problemer ved patientovervågning, lige fra elektrisk ydeevne til kvalitet af pleje.

Anbefalet læsning

1. Pålidelighed er en afgørende faktor i sensorbaserede medicinske applikationer