Bruk tette og fleksible forbindelser for å designe kompakte pasientovervåkingsenheter med høy ytelse

Pasientovervåking av mange kroniske sykdommer og medisinske tilstander utvides raskt, og det kan være avgjørende for å akselerere helbredelse, unngå komplikasjoner og opprettholde optimal helse. De typiske sammenkoblingssystemene for pasientovervåkingsenheten transporterer data (noen ganger inkludert bilder med høy oppløsning), strøm og kontrollsignaler innenfor samt til og fra enheten. Designere av disse systemene må møte mange, og ofte motstridende, utfordringer, inkludert mindre formfaktorer, flere funksjonssett og raskere datahastigheter som krever høy signalintegritet (SI) og jevn dataoverføring.

Enhetene må samtidig være komfortable for pasienter og enkle å bruke for både helsepersonell og pasienter (der det er hensiktsmessig) til tross for skjermenes iboende kompleksitet og den kritiske karakteren av deres funksjoner. Bruk av en voluminøs, upassende eller dårlig utformet kontakt eller sammenkobling kan undergrave disse målene og legge til unødvendige kostnader.

For å imøtekomme kravene til disse utrustningene, har designere en rekke stadig mer raffinerte koblinger og sammenkoblinger å velge mellom. For eksempel, avhengig av kravene til den spesifikke utrustningen, kan designere velge flatfleks-kontakter (FFC) med høy tetthet for billig automatisert montering, fleksible trykte kabler (FPCer) med liten midtlinjeavstand der kabel-til-kort-løsninger er upraktiske, eller USB Type-C®-kontakter som gir kompakte, brukervennlige, høyhastighetsforbindelser.

Denne artikkelen gjennomgår kort sammenkoblingsbehovene til pasientovervåkingsenheter, ser på tilkoblinger i enhetene og mellom enhetene og omverdenen. Deretter introduseres eksempler på FFC-, FPC- og USB Type-C-kontakter fra Molex, som identifiserer viktige funksjoner og fordeler samt riktig anvendelse.

Behov for kort-til-kort-sammenkoblinger

FFCer kombinert med FPCer kan støtte behovene konstruktørene har for høy tetthet og høyhastighets kort-til-kort-sammenkoblingssystemer for pasientovervåkingsenheter. Noen av disse kontaktene kan brukes i både manuelle og robotiske monteringsoperasjoner, og har ett-trinnsparing med en automatisk låsemekanisme (figur 1).

Figur 1: FFC-er og FPC-er kan brukes i både manuelle og robotmonteringsoperasjoner og har ett-trinns paring med en automatisk låsemekanisme. (Bildekilde: DigiKey)

FFC-kort-til-kort-kontakter kan brukes til å støtte datahastigheter på opptil 40 gigahertz (GHz) og kan gi opptil 80 tilkoblinger i flere lavprofilorienteringer, inkludert rett vinkel og vertikal for å gi fleksible designalternativer. Lederavstand på tilkoblingen kan være mindre enn én millimeter (mm) for å støtte tette emballasjeutforminger. Zero insertion force (ZIF) og ikke-ZIF-konstruksjoner er tilgjengelige for å imøtekomme behovene til spesifikke utrustninger.

Noen FFC-er er spesifisert for temperaturer opptil 150 °C, de er konstruert for bruk med en rekke kablingsalternativer, inkludert generiske FFC-kabler, låsende FFC-kabler eller tilpassede FFC-kabler. Disse kontaktene kan ofte akseptere standard eller skjermede FFCer, og jordingsterminalene støtter behovene til høyhastighetsprotokoller som LVDS (low-voltage differential signaling). For maksimal ytelse bør skjermede kabler brukes med kontakter som har jordede terminaler.

Koble pasientmonitorer til omverdenen

Pasientovervåking er avgjørende for å gjøre omsorgspersoner i stand til å forstå hvordan kroppen reagerer på behandlinger for å redusere eller reparere virkningene av en sykdom eller annen fysisk lidelse. Det krever ofte å få de overvåkede dataene til utstyr utenfor overvåkingsenheten.

USB Type-C-kontakter kan være et godt valg for å koble pasientovervåkingsenheter til eksternt utstyr som HDMI-skjermer og datalagringssystemer. Disse kontaktene har en symmetrisk og reversibel uttakspinne (pinout) som støtter brukervennlighet og fleksibilitet ettersom de kan kobles i begge retninger (figur 2).

Figur 2: USB Type-C-kontakter har en symmetrisk og reversibel uttakspinne (pinout) som støtter brukervennlighet og fleksibilitet. (Bildekilde: DigiKey)

USB Type-C-kontakter kreves for å implementere de nyeste USB4-protokollene. USB4 er basert på Thunderbolt 3-grensesnittet, tillater tunnelering av DisplayPort- og PCI Express-data (PCIe) og støtter en nominell datahastighet på 20 gigabits per sekund (Gbits/s) som kan utvides opp til 40 Gbits/s. USB4 inkluderer muligheten for flere endeenhetstyper til dynamisk å dele en enkelt høyhastighetslenke som optimaliserer overføring av data etter type og utrustning. Som et resultat av dette kan den nominelle datahastigheten på 20 Gbit/s resultere i høyere effektiv gjennomstrømning når du sender blandede data, sammenlignet med USB 3.2.

Protokollen USB PD (Power Delivery) gir opptil 20 volt, 5 ampere (A) og 100 watt for lading og annen bruk, inkludert utvidet dataoverføringsfunksjon. USB Type-C PD kan redusere batteriladetiden med 40 % til 64 %, sammenlignet med 1,8 A-ladekapasiteten til micro USB 2.0. De intelligente og fleksible strømstyringsfunksjonene på systemnivå i USB PD støtter toveisstrøm som kan bytte retning i sanntid og muliggjør Type C-støtte for andre standarder som DisplayPort, HDMI eller PCIe.

FRS (Fast role swap) er en forbedring i den nyeste versjonen av USB Type-C PD-spesifikasjonen. Designere kan bruke FRS til å redusere risikoen for datatap og bevare SI i USB-utstyr, for eksempel pasientovervåkingsenheter, i tilfelle uventet fjerning av en strømkabel fra en hub eller dokk. FRS implementeres innen 150 mikrosekunder (µs), noe som gjør det mulig for batteriet å bli kilden og den andre enheten å bli vasken, og opprettholde uavbrutt drift. Datakommunikasjon fortsetter i en enkelt retning uten avbrudd, opprettholder systemdrift og forhindrer feil, selv om strømkilderetningen reverseres.

En annen forbedring av ytelsen til USB PD under USB4 er den programmerbare strømforsyningen (PPS). PPS muliggjør små trinnvise endringer i spenning og strøm. Hvis en strømavtaker er koblet til en PPS-kapabel strømkilde, kan den be om endringer i strømmen som leveres av kilden. PPS kan muliggjøre rask lading av litium-ion-batterier og forbedre systemets generelle strømeffektivitet, noe som reduserer termisk belastning og støtter høyere pakketettheter i systemet.

Kort til kort kontakt for medisinsk overvåkingsutstyr

Som nevnt ovenfor kan FFC-er kombinert med FPC-er støtte behovet pasientovervåkingsenhetskonstruktørene har for høy tetthet og høyhastighets kort-til-kort-sammenkoblingssystemer som kan støtte enten manuell eller robotsammenstilling. Modellen 0541324062 fra Molex Easy-On FFC/FPC-tilkoblingsledning er et godt eksempel. Koblingen har 40 posisjoner med forgylling med en 0,5 mm lederavstand (figur 3).

Figur 3: Modellen 0541324062 Easy-On FFC/FPC-kontakt fra Molex har 40 posisjoner med forgylling på en 0,5 mm lederavstand. (Bildekilde: Molex)

Modellen 0541324062 støtter datahastigheter opp til 10 Gbits/s. Komplett kabelinnsetting og sikker parring implementeres av den positive treghetslåsen. Støt og vibrasjonsmotstand sikres av 20 Newton (N) kabelholdekraft. Robuste loddefliker sørger for fastholdelse av kretskort og strekkavlastning.

Brukes sammen med modell 541324062 Easy-On FFC/FPC-kontakt, og modellen 0151660431 fra Molex Premo-Flex FFC-forbindelsesledningslinje samsvarer med kontaktens 40 posisjoner og 0,5 mm lederavstand og har en lengde på 102 mm (figur 4). Dette samtrafikksystemet kan hjelpe designere med å løse utfordringer i rombegrensede eller vanskelig tilgjengelige utrustninger.

Figur 4: 0151660431 0,5 mm pitch Premo-Flex FFC-forbindelsesledningen fra Molex har 40 posisjoner og er 102 mm lang. (Bildekilde: Molex)

Molex tilbyr Premo-Flex-forbindelsesledning i en rekke kabellengder, kretsstørrelser, lederavstander og tykkelser. Disse slitesterke, ultrafleksible kablene er merket til 105 °C og har en flekstid på 900 000 sykluser, sammenlignet med 6000 sykluser for standard forbindelsesledninger.

Merk at når du kobler til eller kobler fra en FFC-forbindelsesledninger fra en Easy-On FFC/FPC-kontakt, er det viktig å sikre at alle tilkoblinger er deaktivert for å unngå gnisting som kan skade kontaktene. Når du åpner eller lukker låseaktuatoren, bør det også påføres kraft på begge sider av aktuatoren. Bruk av kraft på bare én side kan føre til skade på kontakten. Til slutt, når flekskabelen settes inn i kontakten, skal det ikke være noen trekkraft eller spenning på kabelen. Ellers kan aktuatoren ikke låses skikkelig, kabelen kan bli skadet eller sporene kuttes.

Eksterne høyhastighetstilkoblinger

Kontakter som 1054500101 fra Molex sin USB Type C-linje kan støtte feilfrie pasientovervåkingsdataoverføringer og høy SI, samtidig som de gir strøm til enheter (figur 5). Molex bruker tre innsatsstøpeprosesser i sine USB Type-C-kontakter for å gjøre paringstungen til en enkeltdel og minimere vanninntrengning. Risikoen for løftede eller bøyde terminaler minimeres av ytterligere tre innsatsstøpeprosesser som resulterer i høyere mekanisk holdbarhet og høyere elektrisk pålitelighet. Disse kontaktene gir en holdbar løsning klassifisert for 10 000 parrings- og ikke-parringssykluser som tåler feil parringsforsøk og annet misbruk.

Figur 5: USB Type C-kontakter som 1054500101 kan støtte feilfrie dataoverføringer og gi strøm til medisinske overvåkingsenheter. (Bildekilde: Molex)

Disse høyytelseskontaktene har:

• Opptil 40 Gbit/s datahastigheter for å støtte utrustninger med høyhastighetsnettverk
• Støtte for 4K-skjermer med høy oppløsning
• Skjerming for å gi EMI/RFI-beskyttelse
• Forebygging av elektriske kortslutninger under paring ved hjelp av en mylar-plugg mellom huset og kappen
• Stabil elektrisk ytelse for å støtte høyere strømkapasitet og minimale temperaturøkninger

Den økte strømkapasiteten og svært tett pinneavstand i USB Type-C-kontakter betyr at designere må være klar over potensielle sikkerhets- og brannfarer i tilfelle termisk rømning (økning i temperatur). Under normale forhold sikrer USB PD-strømreglene sikker drift. Skade på en kontakt eller kabel kan imidlertid føre til drift utenfor det sikre området. Beskyttelsesenheter mot overstrøms og overtemperatur er ofte inkludert i utformingen av USB Type-C-kontakter og kabler for å redusere potensialet for termisk bortkjøring.

SuperSpeed-overføringsdifferensialpar i USB Type C-kabler har en 90 ohm (Ω) differensial impedans. Konstruksjoner som bruker en alternativ modus, må også kunne håndtere 90 Ω.

Konklusjon

Etter hvert som behovet for pasientovervåking øker, trenger designere av slike systemer kontakter og tilhørende sammenkoblingskabler og forbindelsesledninger som på en pålitelig måte kan transportere flere typer høyhastighetsdata, så vel som strøm- og kontrollsignaler, både til og fra pasienten. Tilkoblingene må ofte gjøres under trange plassforhold til minimal kostnad, samtidig som brukervennlighet og minimal innvirkning på pasientens komfort sikres.

Som vist har FFC-er, FPC-er og USB Type-C-kontakter dukket opp for å takle disse utfordringene gjennom effektiv montering, høy SI og større brukervennlighet. Ved å bruke riktig kombinasjon av disse kontaktene og sammenkoblingene, kan designere håndtere de iboende kompleksitetene i pasientovervåking fra elektrisk ytelse til kvaliteten på omsorgen.

Anbefalt lesing

1. Pålitelighet er en avgjørende faktor i sensorbaserte medisinske utrustninger