Använd täta och flexibla kopplingar för att konstruera kompakta, kraftfulla patientövervakningsenheter

Patientövervakning av många kroniska sjukdomar och medicinska tillstånd växer snabbt, och det kan vara avgörande för att påskynda läkning, undvika komplikationer och behålla optimal hälsa. De typiska hopkopplingssystemen för patientövervakningsenheter bär data (ibland inklusive högupplösta bilder), effektmatning och styrsignaler både inom och till och från enheten. Konstruktörerna av dessa system behöver bemästra många, och ofta motstridiga, utmaningar, såsom krav på mindre format, större funktionsuppsättning och högre datahastigheter som kräver hög signalintegritet (SI) och smidiga dataöverföringar.

Samtidigt måste produkterna vara bekväma för patienter och lätta att använda för både vårdpersonal och patienter (där en aktiv patient behövs) trots monitorernas inneboende komplexitet och deras kritiska karaktär. Att använda ett skrymmande, olämpligt eller dåligt konstruerat kontaktdon eller hopkoppling kan undergräva dessa mål och medföra onödiga kostnader.

För att uppfylla kraven från dessa tillämpningar har konstruktörer ett antal alltmer förfinade kontaktdon och hopkopplingar att välja bland. Beroende på kraven i den specifika tillämpningen, kan konstruktörer exempelvis välja utrymmessnåla plattflex-kontakter (FFC) för automatisk lågkostnadsmontering, flexibla tryckta kablar (FPC) med litet ledaravstånd där ledare-till-kort-lösningar är opraktiska eller USB Type-C®-kontaktdon som ger kompakta, lättanvända anslutningar för hög hastighet.

I denna artikel går vi översiktligt igenom behovet av kopplingsdon för patientövervakningsenheter och tittar på de interna kopplingarna i produkterna och mellan produkterna och omvärlden. Sedan presenteras exempel på FFC-, FPC- och USB Type-C-kontaktdon frånMolex, där viktiga funktioner och fördelar identifieras samt så beskrivs hur de används korrekt.

Board-to-board sammankopplar behov

FFC:er i kombination med FPC:er kan uppfylla de behov som konstruktörer har av utrymmessnåla och snabba kort-till-kort-kontaktsystem för patientövervakningsenheter. Några av dessa kontaktdon kan användas inom både manuell och robotiserad montering och har hopkoppling i ett steg med en automatisk låsmekanism (Figur 1).

Figur 1: FFC:er och FPC:er kan användas i både manuell och har hopkoppling i ett steg med en automatisk låsmekanism (Bildkälla: DigiKey)

FFC-baserade kort-till-kort-kontakter kan användas för att stödja datahastigheter på upp till 40 GHz och kan ge upp till 80 anslutningar i flera olika riktningar med låg profil, exempelvis i rät vinkel och vertikalt för att ge flexibla konstruktionsalternativ. Ledaravstånden kan vara mindre än en mm för att möjliggöra utrymmessnåla konstruktioner. Konstruktioner med både ZIF (noll isättningskraft) och non-ZIF finns för att tillgodose behoven hos specifika tillämpningar.

Vissa FFC:er är specificerade för temperaturer upp till 150 °C, och de är utformade för användning med en mängd olika kabelalternativ, inklusive generiska FFC-kablar, låsbara FFC-kablar eller specialdesignade FFC-kablar. Dessa kontaktdon kan ofta använda vanliga eller skärmade FFC:er, och jordningsplintarna stöder kraven från höghastighetsprotokoll, såsom differentialsignaler med lågspänning (LVDS). För maximal prestanda bör skärmade kablar användas med kontaktdon med jordade plintar.

Ansluta patientövervakningsenheter till omvärlden

Patientövervakning är avgörande för att vårdgivare ska kunna förstå hur kroppen reagerar på behandlingar för att mildra eller avhälpa effekter från sjukdomar eller fysiska nedsättningar. Det kräver ofta att mätdatan skickas till utrustning utanför övervakningsenheten.

USB Type-C-kontaktdon kan vara ett utmärkt val för att ansluta patientövervakningsenheter till extern utrustning som HDMI-skärmar och datalagringssystem. Dessa kontaktdon har en symmetrisk och reversibel pinout som stöder användarvänlighet och flexibilitet, eftersom de kan anslutas i båda riktningarna (Figur 2).

Figur 2: USB Type-C-kontaktdon har en symmetrisk och reversibel pinout som stöder användarvänlighet och flexibilitet. (Bildkälla: DigiKey)

USB Type-C-kontaktdon krävs för att implementera de senaste USB4-protokollen. USB4 är baserat på Thunderbolt 3-gränssnittet, vilket möjliggör tunnling av DisplayPort- och PCI Express (PCIe)-data och stödjer en nominell datahastighet på 20 Gbit/s, vilket kan utökas upp till 40 Gbit/s. USB4 inkluderar möjligheten för flera typer av ändanvändningsenheter som dynamiskt delar en enda höghastighetslänk som optimerar överföringen av data efter typ och tillämpning. Som en följd av tunnlad överföring kan den nominella datahastigheten på 20 Gbit/s resultera i högre effektiv genomströmning när blandad data skickas jämfört med USB 3.2.

USB Power Delivery-protokollet (PD) ger upp till 20 volt, 5 ampere och 100 watt för laddning och andra användningsområden, såsom utökad kapacitet för dataöverföring. USB Type-C PD kan minska batteriets laddningstid med 40 % till 64 %, jämfört med 1,8 A laddningskapacitet för Micro USB 2.0. De intelligenta och flexibla energihanteringsfunktionerna på systemnivå för USB PD stöder dubbelriktad effektmatning som kan växla riktning i realtid och möjliggör stöd för Type-C för andra standarder som DisplayPort, HDMI eller PCIe.

S.k. "Fast role swap" (FRS), snabbt rollbyte, är en förbättring i den senaste versionen av USB Type-C PD-specifikationen. Konstruktörer kan använda FRS för att minska risken för dataförluster och bevara signalintegriteten i USB-kringutrustning, t.ex. patientövervakningsenheter, i händelse av oväntad frånkoppling av en strömkabel från en hub eller docka. Rollbytet sker på mindre än 150 µs, vilket gör det möjligt för batteriet att bli källan och den andra enheten kan bli strömsänka, vilket behåller en oavbruten drift. Datakommunikationen fortsätter i ena riktning utan avbrott, vilket bevarar systemfunktionen och förhindrar fel, även om strömriktningen vänder.

En annan förbättring av USB PD-prestandan under USB4 är den programmerbara strömförsörjningsfunktionen (PPS). PPS möjliggör små stegändringar i spänning och ström. Om en strömsänka är ansluten till en PPS-kompatibel strömkälla, kan den begära ändringar i strömmen som matas från av källan. PPS möjliggör snabb laddning av litiumjonbatterier och kan förbättra den totala systemeffektiviteten, vilket minskar den termiska belastningen och möjliggör högre komponenttäthet i system.

Kort-till-kort-kontaktdon för medicinska övervakningsenheter

Som nämnts ovan kan FFC i kombination med FPC uppfylla de krav som konstruktörer av patientövervakningsenheter ställer på utrymmessnåla och snabba hopkopplingssystem för kort-till-kort som möjliggör både manuell och robotiserad montering. Modellen 0541324062 från Molex Easy-On FFC / FPC-sortiment av kontaktdon är ett bra exempel. Kontaktdonet har 40 ledare med guldplätering och 0,50 mm ledaravstånd (Figur 3).

Figur 3: Easy-On FFC/FPC-kontaktdonet av modell 0541324062 från Molex har 40 ledare med guldplätering och 0,50 mm ledningsavstånd. (Bildkälla: Molex)

Modellen 0541324062 stöder datahastigheter upp till 10 Gbit/s. Komplett kabelisättning och säker hopkoppling säkerställs med det positiva tröghetslåset. Stöt- och vibrationstålighet säkerställs av en fixeringskraft på 20 N. Robusta lödtungor ger kretskortsfixering och dragavlastning.

När den används tillsammans med Easy-On FFC/FPC-kontaktdonet av modell 541324062, matchar modellen 0151660431 från Molex Premo-Flex-serie med FFC-byglingar donets 40 ledningar och 0,50 mm ledningsavstånd. Modellens längd är 102,00 mm (Figur 4). Detta system hopkoppling av kort kan hjälpa konstruktörer att lösa problem i form av utrymmesbegränsade eller svåråtkomliga tillämpningar.

Bild 4: Premo-Flex FFC-bygeln 0151660431 med 0,50 mm ledningsavstånd från Molex har 40 ledare och är 102,00 mm lång. (Bildkälla: Molex)

Molex erbjuder Premo-Flex-byglar med olika kabellängder, kretsstorlekar, ledningsavstånd och tjocklekar. Dessa hållbara, extremt flexibla kablar är klassade för 105 °C och har en flex-livslängd på 900 000 cykler, jämfört med 6000 cykler för vanliga byglar.

Observera att när du ansluter eller kopplar bort en FFC-bygel från ett Easy-On FFC/FPC-kontaktdon är det viktigt att alla anslutningar redan kopplats från för att undvika gnistor som kan skada kontakterna. Vid öppning eller stängning av låsmekanismen bör också kraften anbringas på båda sidor om mekanismen. Att använda kraft på bara ena sidan kan leda till skador på kontakten. Slutligen ska det inte finnas någon dragkraft eller mekanisk belastning av kabeln när man sätter i flexkabeln i kontaktdonet. Annars kanske låsmekanismen inte låser ordentligt, och kabeln kan skadas eller banorna skäras sönder.

Externa höghastighetsanslutningar

Kontaktdon som t.ex. 1054500101 från Molex USB Type-C-serie kan stödja felfri dataöverföring inom patientövervakning och hög signalintegritet samtidigt som de matar ström till enheterna (Figur 5). Molex använder tre ingjutningsprocesser i sina USB Type-C-kontaktdon för att göra kopplingstungan till en enda komponent och minimera vattenintrångsrisken. Risken för upplyfta eller krökta stift minimeras med ytterligare tre ingjutningsprocesser som resulterar i högre mekanisk hållfasthet och högre elektrisk tillförlitlighet. Dessa kontaktdon ger en hållbar lösning för 10 000 hop- och frånkopplingscykler som klarar felaktiga hopkopplingsförsök och annan felaktig användning.

Figur 5: USB Type-C-kontaktdon som 1054500101 stödjer felfri dataöverföringar och ger strömmatning till medicinska övervakningsenheter. (Bildkälla: Molex)

Dessa kraftfulla kontaktdon har:

• Datahastigheter på upp till 40 Gbit/s för att stödja snabba nätverkstillämpningar
• Stöd för högupplösta skärmar med 4K-upplösning
• Skärmning för att ge EMI/RFI-skydd
• Förebyggande av elektriska kortslutningar under hopkopplingen genom användning av en mylarplugg mellan höljet och skalet
• Stabila elektriska egenskaper för att stödja högre strömkapacitet och minimala temperaturökningar

Den ökade effektkapaciteten och det mycket korta stiftavståndet i USB Type-C-kontakter gör att konstruktörer måste vara medvetna om potentiella säkerhets- och brandrisker vid termiska incidenter. Under normala förhållanden säkerställer USB PD-reglerna säker drift. Skador på ett kontaktdon eller en kabel kan dock leda till drift utanför det säkra intervallet. Överströms- och övertemperaturskydd ingår ofta i konstruktionen av USB Type-C-kontakter och -kablar för att minska risken för termiska incidenter.

SuperSpeed-sändningsdifferentialparen i USB Type-C-kablar har en differentiell impedans på 90 ohm. Konstruktioner som använder ett alternativt läge måste också kunna hantera 90 ohm.

Slutsats

När behovet av patientövervakning ökar, behöver konstruktörer av sådana system kontaktdon och tillhörande hopkopplingskablar och byglar som på ett tillförlitligt sätt kan transportera flera typer av höghastighetsdata, samt effekt och styrsignaler, både till och från patienten. Anslutningarna måste ofta göras i trånga utrymmen till minimal kostnad, samtidigt som de säkerställer användarvänlighet och med minimal påverkan på patientens komfort.

Som visats har FFC-, FPC- och USB Type-C-kontakter dykt upp för att klara dessa utmaningar genom effektiv montering, god signalintegritet och större användarvänlighet. Med rätt kombination av dessa kontaktdon och hopkopplingar kan konstruktörer hantera den inherenta komplexiteten i patientövervakning - från de elektriska egenskaperna till kvalitet i vården.

Rekommenderad läsning

1. Tillförlitlighet är en avgörande faktor i sensorbaserade medicintekniska tillämpningar