Użycie złączy elastycznych o dużej gęstości do projektowania kompaktowych i wysokowydajnych urządzeń do monitorowania pacjentów

Monitorowanie pacjentów w zakresie wielu chorób przewlekłych i stanów medycznych szybko się rozwija i może mieć kluczowe znaczenie dla przyspieszenia leczenia, uniknięcia powikłań i utrzymania optymalnego stanu zdrowia. Typowe systemy połączeń urządzeń monitorujących pacjenta przesyłają dane (czasami łącznie z obrazami wysokiej rozdzielczości), zasilanie i sygnały sterujące do i z urządzenia, jak również w jego obrębie. Projektanci tych systemów muszą stawiać czoła licznym i często sprzecznym wyzwaniom, takim jak mniejsze rozmiary, większa funkcjonalność i wyższe prędkości przesyłu danych, które wymagają wysokiej integralności sygnału (SI) i płynnego przesyłu danych.

Jednocześnie urządzenia te muszą być wygodne dla pacjentów i łatwe w użyciu zarówno dla pracowników służby zdrowia, jak i dla samych pacjentów (w stosownych przypadkach), pomimo złożoności urządzeń monitorujących i krytycznego charakteru ich funkcji. Użycie nieporęcznego, nieodpowiedniego lub źle zaprojektowanego złącza lub połączenia może utrudniać osiągnięcie tych celów i niepotrzebnie zwiększyć koszty.

Aby sprostać wymaganiom tych zastosowań, projektanci mają do wyboru szereg coraz bardziej wyrafinowanych złączy i połączeń. Na przykład, w zależności od wymagań konkretnego zastosowania, projektanci mogą wybrać płaskie złącza elastyczne (FFC) o dużej gęstości, przeznaczone do taniego, zautomatyzowanego montażu, elastyczne kable drukowane (FPC) o małym rastrze, gdzie rozwiązania typu przewód-płytka są niepraktyczne, lub złącza USB Type-C®, które zapewniają kompaktowe, łatwe w użyciu, połączenia o dużej przepustowości.

W tym artykule krótko omówiono potrzeby urządzeń monitorujących pacjenta w zakresie połączeń, analizując połączenia wewnątrz urządzeń oraz między urządzeniami i światem zewnętrznym. W dalszej części przedstawiono przykłady złączy FFC, FPC i USB Type-C firmy Molex, wskazując ich główne cechy i korzyści, jak również ich prawidłowe zastosowanie.

Potrzeby w zakresie połączeń między płytkami

Złącza FFC w połączeniu z kablami FPC mogą zaspokoić potrzeby projektantów w zakresie wysokiej gęstości i systemów szybkich połączeń płytka-płytka dla urządzeń monitorujących stan pacjenta. Niektóre z tych złączy mogą być stosowane zarówno w montażu ręcznym, jak i zrobotyzowanym, a także charakteryzują się jednoetapowym łączeniem z mechanizmem automatycznego blokowania (ilustracja 1).

Ilustracja 1: złącza FFC i kable FPC mogą być stosowane zarówno w montażu ręcznym, jak i zrobotyzowanym, a także charakteryzują się jednoetapowym łączeniem i mechanizmem automatycznego blokowania. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Złączy międzypłytkowych FFC można używać do obsługi transmisji danych do 40GHz. Mogą one zapewnić do 80 połączeń w kilku orientacjach niskoprofilowych, w tym pod kątem prostym i w pionie, umożliwiając elastyczne opcje projektowania. Rastry złączy mogą być niższe od jednego milimetra (mm), co umożliwia projektowanie obudów o wysokiej gęstości. Dostępne są konstrukcje o zerowej sile wprowadzania (ZIF) i inne, spełniające potrzeby określonych zastosowań.

Niektóre złącza FFC mogą pracować w temperaturach do 150°C i są zaprojektowane do stosowania z różnymi opcjami okablowania, takimi jak standardowe kable FFC, blokujące kable FFC lub niestandardowe kable FFC. Często złącza te mogą akceptować standardowe lub ekranowane kable FFC, a zaciski uziemiające obsługują potrzeby szybkich protokołów, takich jak niskonapięciowy sygnał różnicowy (LVDS). Aby uzyskać maksymalne parametry działania, należy stosować kable ekranowane ze złączami wyposażonymi w zaciski uziemiające.

Łączenie urządzeń monitorujących pacjentów ze światem zewnętrznym

Monitorowanie pacjenta ma kluczowe znaczenie dla umożliwienia medykom zrozumienia, w jaki sposób organizm reaguje na terapie mające na celu złagodzenie lub odwrócenie skutków choroby lub innej dolegliwości fizycznej. Często wymaga to przesyłania monitorowanych danych do urządzeń znajdujących się poza urządzeniem monitorującym.

Złącza USB Type-C mogą być doskonałym wyborem do podłączania urządzeń monitorujących stan pacjenta do urządzeń zewnętrznych, takich jak monitory HDMI i systemy przechowywania danych. Złącza te mają symetryczny i odwracalny układ wyprowadzeń, który ułatwia użytkowanie i zwiększa elastyczność, ponieważ można je podłączyć w dowolnej orientacji (ilustracja 2).

Ilustracja 2: złącza USB Type-C mają symetryczny i odwracalny układ wyprowadzeń, który ułatwia korzystanie i zapewnia elastyczność. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Złącza USB Type-C są wymagane do wdrożenia najnowszych protokołów USB4. USB4 bazuje na interfejsie Thunderbolt 3, umożliwia tunelowanie danych DisplayPort i PCI Express (PCIe), a także obsługuje nominalną szybkość transmisji danych na poziomie 20Gb/s, którą można zwiększyć do 40Gb/s. USB4 umożliwia wielu typom urządzeń końcowych dynamiczne współużytkowanie jednego szybkiego łącza, które optymalizuje transfer danych w zależności od typu i zastosowania. W rezultacie, w przypadku zastosowania tunelowania, nominalna szybkość transmisji danych 20Gb/s może skutkować wyższą efektywną przepustowością przy przesyłaniu danych mieszanych, w porównaniu z USB 3.2.

Protokół zasilania USB Power Delivery (PD) zapewnia do 20V, 5A i 100W na potrzeby ładowania i innych zastosowań, w tym rozszerzonych możliwości przesyłania danych. Technologia USB Type-C PD może skrócić czas ładowania baterii o 40% do 64%, w porównaniu z wydajnością ładowania 1,8A w przypadku złącza micro USB 2.0. Inteligentne i elastyczne funkcje zarządzania zasilaniem na poziomie systemu dzięki technologii USB PD obsługują zasilanie dwukierunkowe, które może zmieniać kierunek w czasie rzeczywistym. Umożliwiają też obsługę innych standardów, takich jak DisplayPort, HDMI czy PCIe.

Szybka zamiana ról (FRS) to usprawnienie w najnowszej wersji specyfikacji USB Type-C PD. Projektanci mogą wykorzystywać funkcję FRS do obniżenia ryzyka utraty danych i zachowania integralności sygnału (SI) w urządzeniach peryferyjnych USB, takich jak urządzenia do monitorowania pacjentów, w przypadku nieoczekiwanego odłączenia kabla zasilającego od koncentratora lub stacji dokującej. Funkcja FRS jest uaktywniana w ciągu 150µs, co pozwala baterii stać się źródłem, a drugiemu urządzeniu stać się odbiornikiem, bez przerywania działania urządzenia. Transmisja danych przebiega bez zakłóceń w jednym kierunku, co pozwala na zachowanie ciągłości pracy systemu i zapobiega awariom, nawet w przypadku zmiany kierunku zasilania.

Kolejnym ulepszeniem działania USB PD w ramach specyfikacji USB4 jest możliwość korzystania z zasilacza programowalnego (PPS). Zasilacz programowalny umożliwia małe skokowe zmiany napięcia i prądu. Jeśli odbiornik energii jest podłączony do źródła będącego zasilaczem programowalnym, może on zażądać zmiany mocy dostarczanej przez zasilacz. Zasilacz programowalny może pozwolić na szybkie ładowanie baterii litowo-jonowych i poprawić ogólną sprawność energetyczną systemu, obniżając obciążenie termiczne i pozwalając na zwiększenie gęstości upakowania systemu.

Złącze międzypłytkowe do medycznych urządzeń monitorujących

Jak wspomniano powyżej, złącza FFC w połączeniu z elastycznymi obwodami drukowanymi FPC mogą zaspokoić zapotrzebowanie projektantów urządzeń monitorujących stan pacjenta na systemy połączeń o dużej gęstości i szybkości, które można montować ręcznie lub przy użyciu robotów. Dobrym przykładem jest model 0541324062 z serii złączy Easy-On FFC/FPC firmy Molex. Złącze posiada 40 złoconych styków rozmieszczonych w rastrze 0,50 mm (ilustracja 3).

Ilustracja 3: model 0541324062 Easy-On złącza FFC/FPC firmy Molex posiada 40 złoconych styków w rastrze 0,50mm. (Źródło ilustracji: Molex)

Model 0541324062 obsługuje szybkość transmisji danych do 10Gb/s. Zabezpieczająca blokada bezwładnościowa umożliwia całkowite wsunięcie kabla i bezpieczne połączenie. Odporność na wstrząsy i drgania jest zapewniona dzięki sile trzymania kabla wynoszącej 20N. Wytrzymałe końcówki lutownicze zapewniają utrzymanie w płytce drukowanej i jej odciążenie.

Używany w połączeniu ze złączem Easy-On FFC/FPC model 541324062, mostek FFC model 0151660431 z serii Premo-Flex firmy Molex o długości 102,00mm pasuje do jego 40 styków i rastra 0,50mm (ilustracja 4). Ten system połączeń między płytkami może pomóc projektantom w rozwiązywaniu problemów wynikających z ograniczonej przestrzeni lub zastosowań w trudno dostępnych miejscach.

Ilustracja 4: kabel łączący FFC Premo Flex o rastrze 0,50 mm firmy Molex, model 0151660431 ma 40 pozycji i długość 102,00mm. (Źródło ilustracji: Molex)

Firma Molex oferuje mostki Premo-Flex w szerokim zakresie długości, liczby obwodów, rastrów i grubości. Te solidne, ultraelastyczne kable, wytrzymujące temperaturę 105°C, charakteryzują się żywotnością 900 tysięcy cykli, w porównaniu do 6 tysięcy cykli w przypadku standardowych mostków.

Należy pamiętać, że podczas podłączania lub odłączania mostka FFC od złącza Easy-On FFC/FPC należy upewnić się, że na żadnych połączeniach nie występuje napięcie, aby uniknąć iskrzenia, które może uszkodzić styki. Ponadto podczas otwierania lub zamykania aktuatora blokady należy przykładać siłę do obu stron aktuatora. Przyłożenie siły tylko z jednej strony może spowodować uszkodzenie złącza. Podczas wkładania kabla giętkiego do złącza na kablu nie powinny występować również żadne siły ciągnące ani naprężające. W przeciwnym razie aktuator może nie zostać prawidłowo zablokowany, kabel może ulec uszkodzeniu lub ścieżki mogą zostać przecięte.

Szybkie połączenia zewnętrzne

Złącza takie jak 1054500101 serii USB Type-C firmy Molex mogą zapewnić bezzakłóceniowy transfer danych monitorowania pacjenta i wysoką integralność sygnału przy jednoczesnym podawaniu zasilania do urządzeń (ilustracja 5). Firma Molex stosuje trzy procesy formowania wkładek w swoich złączach USB Type-C, aby pióro dopasowujące złącze stanowiło jedną część i minimalizowało wnikanie wody. Ryzyko uniesienia lub wygięcia zacisków jest zminimalizowane dzięki dodatkowym trzem procesom formowania wkładek, które zapewniają większą wytrzymałość mechaniczną i wyższą niezawodność elektryczną. Złącza te zapewniają trwałe rozwiązanie oceniane na 10 tysięcy cykli łączenia i rozłączania, które wytrzymuje niewłaściwe próby łączenia i inne sposoby nieprawidłowego użycia.

Ilustracja 5: złącza USB Type-C, takie jak 1054500101, obsługują bezzakłóceniowy transfer danych i podają zasilanie do medycznych urządzeń monitorujących. (Źródło ilustracji: Molex)

Omawiane wysokiej jakości złącza charakteryzują się:

• szybkością transmisji danych do 40Gb/s do obsługi szybkich zastosowań sieciowych
• obsługą wysokiej jakości wyświetlaczy o rozdzielczości 4K
• ekranowaniem zapewniającym ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) i zakłóceniami o częstotliwościach radiowych (RFI)
• zapobieganiem zwarciom elektrycznym podczas łączenia dzięki zastosowaniu wtyczki mylarowej pomiędzy obudową i osłoną
• Stabilne parametry elektryczne zapewniające wyższe natężenia prądu i minimalny wzrost temperatury

Zwiększona moc i bardzo ciasne rozmieszczenie wtyków w złączach USB Type-C oznacza, że projektanci muszą być świadomi potencjalnych zagrożeń bezpieczeństwa i ryzyka pożaru w przypadku niekontrolowanego wzrostu temperatury. W normalnych warunkach zasady zasilania USB PD zapewniają bezpieczną pracę. Uszkodzenie złącza lub kabla może jednak prowadzić do pracy poza bezpiecznym zakresem. Zabezpieczenia przed nadmiernym prądem i nadmierną temperaturą często są częścią konstrukcji złączy USB Type-C i kabli, ograniczając możliwość niekontrolowanego wzrostu temperatury.

Pary różnicowe transmisji SuperSpeed w kablach USB Type-C posiadają impedancję różnicową 90Ω. Konstrukcje wykorzystujące tryb naprzemienny muszą być również przystosowane do pracy przy 90Ω.

Podsumowanie

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na monitorowanie pacjentów, projektanci takich systemów potrzebują złączy i powiązanego z nimi okablowania łączącego i mostków, które mogą niezawodnie szybko przesyłać wiele rodzajów danych, jak również sygnały zasilania i sterowania, zarówno do - jak i od pacjenta. Połączenia te muszą być często wykonywane w warunkach ograniczonej przestrzeni, przy minimalnych kosztach, zapewniając jednocześnie łatwość obsługi i minimalny wpływ na komfort pacjenta.

Jak pokazano, złącza FFC, kable FPC i złącza USB Type-C powstały, aby sprostać tym wyzwaniom przez sprawny montaż, wysoką integralność sygnału (SI) i większą łatwość użycia. Stosując właściwą kombinację tych złączy i połączeń, projektanci mogą rozwiązywać problemy związane z monitorowaniem pacjentów, od parametrów elektrycznych po jakość opieki.

Rekomendowane artykuły

1. Niezawodność jest decydującym czynnikiem w zastosowaniach medycznych opartych na czujnikach