Gebruik dichte en flexibele interconnecties om compacte, hoogperformante toestellen voor patiëntmonitoring te ontwerpen

Patiëntmonitoring van vele chronische ziekten en medische aandoeningen breidt zich snel uit en kan van cruciaal belang zijn voor een snellere genezing, het voorkomen van complicaties en het behoud van een optimale gezondheid. De typische verbindingssystemen voor patiëntbewakingsapparatuur dragen gegevens (soms ook beelden met hoge resolutie), energie en controlesignalen over, zowel binnen als naar en van het apparaat. De ontwerpers van deze systemen moeten het hoofd bieden aan talrijke, vaak tegenstrijdige uitdagingen, waaronder kleinere vormfactoren, meer functiesets en hogere datasnelheden die een hoge signaalintegriteit (SI) en soepele gegevensoverdracht vereisen.

Tegelijkertijd moeten de toestellen comfortabel zijn voor de patiënten en gemakkelijk te gebruiken voor zowel de beroepsbeoefenaren in de gezondheidszorg als de patiënten (waar nodig), ondanks de inherente complexiteit van de monitors en de kritische aard van hun functies. Het gebruik van een omvangrijke, ongeschikte of slecht ontworpen connector of interconnector kan deze doelstellingen ondermijnen en onnodige kosten met zich meebrengen.

Om aan de eisen van deze toepassingen te voldoen, kunnen ontwerpers kiezen uit een aantal steeds verfijndere connectors en interconnecties. Afhankelijk van de eisen van de specifieke toepassing kunnen ontwerpers bijvoorbeeld kiezen voor flat flex (FFC) connectors met hoge dichtheid voor goedkope geautomatiseerde assemblage, flexibel gedrukte kabels (FPC's) met kleine centerline-afstand waar draad-naar-bordoplossingen onpraktisch zijn, of USB Type-C®-connectors die compacte, gebruiksvriendelijke, hogesnelheidsverbindingen bieden.

Dit artikel geeft een kort overzicht van de interconnectiebehoeften van patiëntbewakingsapparatuur, waarbij wordt gekeken naar verbindingen binnen de apparatuur en tussen de apparatuur en de buitenwereld. Vervolgens worden voorbeelden gegeven van FFC-, FPC- en USB Type-C-connectors van Molex, met vermelding van de belangrijkste kenmerken en voordelen en de juiste toepassing ervan.

Bord-naar-bord interconnects behoeften

FFC's in combinatie met FPC's kunnen voorzien in de behoeften van ontwerpers aan board-to-board interconnectiesystemen met hoge dichtheid en hoge snelheid voor patiëntbewakingsapparatuur. Sommige van deze connectoren kunnen zowel bij handmatige als bij gerobotiseerde assemblage worden gebruikt, en zijn voorzien van paring in één stap met een automatisch vergrendelingsmechanisme (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: FFC's en FPC's kunnen zowel bij handmatige als bij gerobotiseerde assemblage worden gebruikt en zijn voorzien van paring in één stap met een automatisch vergrendelingsmechanisme. (Bron afbeelding: DigiKey)

FFC bord-naar-bordconnectors kunnen worden gebruikt om datasnelheden tot 40 gigahertz (GHz) te ondersteunen en kunnen tot 80 aansluitingen bieden in diverse lage profieloriëntaties, waaronder rechte hoek en verticaal om flexibele ontwerpopties te bieden. De afstand tussen de aansluitingen kan minder dan een millimeter (mm) bedragen om strakke verpakkingsontwerpen te ondersteunen. Zero Insertion Force (ZIF) en non-ZIF ontwerpen zijn beschikbaar om aan de behoeften van specifieke toepassingen te voldoen.

Sommige FFC's zijn gespecificeerd voor temperaturen tot 150 graden Celsius (°C), en zij zijn ontworpen voor gebruik met een verscheidenheid van bekabelingsopties, waaronder generieke FFC-kabels, vergrendelende FFC-kabels, of aangepaste FFC-kabels. Deze connectors zijn vaak geschikt voor standaard of afgeschermde FFC's, en de aardklemmen voldoen aan de behoeften van protocollen met hoge snelheid, zoals LVDS (low-voltage differential signaling). Voor maximale prestaties moeten afgeschermde kabels worden gebruikt met connectors die geaarde aansluitingen hebben.

Patiëntmonitors verbinden met de buitenwereld

Het monitoren van patiënten is van cruciaal belang om zorgverleners in staat te stellen te begrijpen hoe het lichaam reageert op therapieën om de gevolgen van een ziekte of andere lichamelijke aandoening te verzachten of te herstellen. Daartoe moeten de bewaakte gegevens vaak worden doorgegeven aan apparatuur buiten het bewakingsapparaat.

USB Type-C-connectors kunnen een goede keuze zijn voor het aansluiten van patiëntbewakingsapparatuur op externe apparatuur, zoals HDMI-monitors en dataopslagsystemen. Deze connectors hebben een symmetrische en omkeerbare pin-out die het gebruiksgemak en de flexibiliteit bevordert, aangezien zij in beide richtingen kunnen worden aangesloten (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: USB Type-C-connectors hebben een symmetrische en omkeerbare pin-out die gebruiksgemak en flexibiliteit ondersteunt. (Bron afbeelding: DigiKey)

USB Type-C-connectors zijn nodig om de nieuwste USB4-protocollen te implementeren. USB4 is gebaseerd op de Thunderbolt 3-interface, maakt tunneling van DisplayPort en PCI Express (PCIe) data mogelijk, en ondersteunt een nominale datasnelheid van 20 gigabit per seconde (Gbits/s) die kan worden uitgebreid tot 40 Gbits/s. USB4 biedt de mogelijkheid om meerdere typen eindapparatuur dynamisch te laten delen in een enkele hogesnelheidsverbinding die de gegevensoverdracht per type en toepassing optimaliseert. Bijgevolg kan, wanneer gebruik wordt gemaakt van tunneling, de nominale datasnelheid van 20 Gbit/s resulteren in een hogere effectieve doorvoer bij het verzenden van gemengde gegevens, vergeleken met USB 3.2.

Het USB Power Delivery (PD) protocol levert tot 20 volt, 5 ampère (A), en 100 watt voor opladen en andere toepassingen, waaronder uitgebreide mogelijkheden voor gegevensoverdracht. USB Type-C PD kan de oplaadtijd van de batterij met 40% tot 64% verkorten, vergeleken met de 1,8 A oplaadcapaciteit van micro USB 2.0. De intelligente en flexibele vermogensbeheermogelijkheden op systeemniveau van USB PD ondersteunen bidirectionele voeding die in real-time van richting kan veranderen en maken Type-C-ondersteuning mogelijk voor andere standaarden zoals DisplayPort, HDMI, of PCIe.

Fast role swap (FRS) is een verbetering in de nieuwste versie van de USB Type-C PD-specificatie. Ontwerpers kunnen FRS gebruiken om het risico van gegevensverlies te beperken en SI te behouden in USB-randapparatuur, zoals patiëntbewakingsapparatuur, in geval van onverwachte verwijdering van een voedingskabel uit een hub of dock. FRS wordt geïmplementeerd binnen 150 microseconden (µs), zodat de batterij de bron kan worden en het andere apparaat de gootsteen, waardoor een ononderbroken werking mogelijk blijft. De datacommunicatie gaat zonder onderbreking in één richting door, waardoor de werking van het systeem behouden blijft en storingen worden voorkomen, ook al keert de stroombronrichting om.

Een andere verbetering van de prestaties van USB PD onder USB4 is de programmable power supply (PPS). PPS maakt kleine stapsgewijze veranderingen in spanning en stroom mogelijk. Als een stroomafnemer is aangesloten op een stroombron die geschikt is voor PPS, kan hij verzoeken om wijzigingen in het door de bron geleverde vermogen. PPS kan lithium-ion batterijen snel opladen en de totale energie-efficiëntie van het systeem verbeteren, wat de thermische belasting vermindert en hogere verpakkingsdichtheden van het systeem ondersteunt.

Bord-naar-bordconnector voor medische bewakingsapparatuur

Zoals hierboven is opgemerkt, kunnen FFC's in combinatie met FPC's voorzien in de behoefte van ontwerpers van apparaten voor patiëntenbewaking aan zeer dichte en snelle bord-naar-bordinterconnectiesystemen die zowel manuele als gerobotiseerde assemblage mogelijk maken. Het model 0541324062 van Molex's Easy-On FFC/FPC-connectorlijn is een goed voorbeeld. De connector heeft 40 posities met vergulding op een pitch van 0,50 millimeter (mm) (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Het model 0541324062 Easy-On FFC/FPC-connector van Molex heeft 40 posities met vergulde coating op een pitch van 0,50 mm. (Bron afbeelding: Molex)

Het model 0541324062 ondersteunt gegevenssnelheden tot 10 Gbits/s. Volledige kabelinvoer en veilige paring worden gerealiseerd door de positieve traagheidssluiting. Schok- en trillingsbestendigheid worden gegarandeerd door de kabelbevestigingskracht van 20 Newton (N). Robuuste soldeertabs zorgen voor behoud van de printplaat en trekontlasting.

In combinatie met de Easy-On FFC/FPC-connector model 541324062 komt het model 0151660431 uit de Premo-Flex FFC-jumperlijn van Molex overeen met de 40 posities en de pitch van 0,50 mm van de connector en heeft een lengte van 102,00 mm (Afbeelding 4). Dit bord-naar-bordinterconnectiesysteem kan ontwerpers helpen uitdagingen op te lossen in toepassingen met beperkte ruimte of die moeilijk bereikbaar zijn.

Afbeelding 4: De 0151660431 0,50 mm pitch Premo-Flex FFC jumper van Molex heeft 40 posities en is 102,00 mm lang. (Bron afbeelding: Molex)

Molex biedt Premo-Flex jumpers in een reeks van kabellengten, circuitafmetingen, pitches en diktes. Deze duurzame, ultraflexibele kabels zijn bestand tegen 105 °C en hebben een levensduur van 900.000 cycli, vergeleken met 6.000 cycli voor standaard jumpers.

Let op dat bij het aan- en afkoppelen van een FFC jumper van een Easy-On FFC/FPC-connector, het belangrijk is dat alle verbindingen spanningsloos zijn om vonkvorming te voorkomen die de contacten kan beschadigen. Ook moet bij het openen of sluiten van de vergrendelingsactuator kracht worden uitgeoefend op beide zijden van de actuator. Als u slechts op één kant kracht uitoefent, kan de connector beschadigd raken. Tenslotte mag er bij het insteken van de flexkabel in de connector geen trekkracht of spanning op de kabel staan. Anders bestaat de kans dat de actuator niet goed vergrendelt, dat de kabel beschadigd raakt of dat de sporen worden doorgesneden.

Snelle externe verbindingen

Connectors zoals de 1054500101 uit de USB Type-C-lijn van Molex kunnen storingsvrije gegevensoverdracht voor patiëntmonitoring en hoge SI ondersteunen terwijl ze apparaten van stroom voorzien (Afbeelding 5). Molex maakt gebruik van drie insert molding processen in zijn USB Type-C-connectors om de contrastekker een enkel onderdeel te maken en het binnendringen van water te minimaliseren. Het risico van opgetilde of verbogen aansluitklemmen wordt geminimaliseerd door drie extra "insert molding" processen die resulteren in een hogere mechanische duurzaamheid en een hogere elektrische betrouwbaarheid. Deze connectors bieden een duurzame oplossing die geschikt is voor 10.000 parings- en paringscycli en bestand is tegen ongepaste paringspogingen en ander misbruik.

Afbeelding 5: USB Type-C-connectors zoals de 1054500101 kunnen hapervrije gegevensoverdracht ondersteunen en medische bewakingsapparatuur van stroom voorzien. (Bron afbeelding: Molex)

Deze hoogwaardige connectors zijn voorzien van:

• Gegevenssnelheden tot 40 Gbit/s ter ondersteuning van snelle netwerktoepassingen
• Ondersteuning van hoogwaardige displays met 4K-resolutie
• Afscherming om EMI/RFI-bescherming te bieden
• Voorkomen van elektrische kortsluiting tijdens het koppelen door het gebruik van een mylar plug tussen de behuizing en het omhulsel
• Stabiele elektrische prestaties om een hogere stroomcapaciteit en minimale temperatuurstijgingen te ondersteunen

Door de grotere stroomcapaciteit en de zeer krappe pennenafstand in USB Type-C-connectors moeten ontwerpers rekening houden met potentiële veiligheids- en brandgevaren in geval van thermische runaway. Onder normale omstandigheden zorgen de USB PD voedingsregels voor een veilige werking. Beschadiging van een connector of kabel kan echter leiden tot gebruik buiten het veilige gebied. Beveiligingen tegen overstroom en overtemperatuur worden vaak opgenomen in het ontwerp van USB Type-C-connectors en kabels om de kans op thermische runaway te verkleinen.

De SuperSpeed-differentiële zendparen in USB Type-C-kabels hebben een differentiële impedantie van 90 ohm (Ω). Ontwerpen die gebruik maken van een alternatieve modus moeten ook 90 Ω aankunnen.

Conclusie

Naarmate de behoefte aan patiëntenbewaking toeneemt, hebben ontwerpers van dergelijke systemen connectors en bijbehorende verbindingsbekabeling en jumpers nodig die op betrouwbare wijze meervoudige soorten gegevens met hoge snelheid, alsmede voedings- en controlesignalen, zowel van als naar de patiënt kunnen transporteren. De aansluitingen moeten vaak worden gemaakt in een beperkte ruimte en tegen minimale kosten, terwijl ook het gebruiksgemak en de invloed op het comfort van de patiënt minimaal moeten zijn.

Zoals aangetoond zijn FFC's, FPC's en USB Type-C-connectors ontstaan om deze uitdagingen aan te gaan via efficiënte assemblage, hoge SI en groter gebruiksgemak. Door de juiste combinatie van deze connectoren en interconnects te gebruiken, kunnen ontwerpers de inherente complexiteit van patiëntenbewaking aanpakken, van elektrische prestaties tot zorgkwaliteit.

Aanbevolen lectuur

1. Betrouwbaarheid is een doorslaggevende factor in op sensors gebaseerde medische toepassingen