Verwenden Sie flexible Verbindungen hoher Packungsdichte, um kompakte, leistungsstarke Patientenüberwachungsgeräte zu entwickeln

Die Patientenüberwachung vieler chronischer Krankheiten und medizinischer Zustände nimmt rapide zu und kann entscheidend sein, um die Heilung zu beschleunigen, Komplikationen zu vermeiden und eine optimale Gesundheit zu erhalten. Die typischen Verbindungssysteme für Patientenüberwachungsgeräte übertragen Daten (manchmal auch hochauflösende Bilder), Strom und Steuersignale sowohl innerhalb des Geräts als auch zu und von ihm. Die Entwickler dieser Systeme müssen sich mit zahlreichen und oft widersprüchlichen Herausforderungen auseinandersetzen, darunter kleinere Formfaktoren, mehr Funktionen und schnellere Datenraten, die eine hohe Signalintegrität (SI) und reibungslose Datenübertragungen erfordern.

Gleichzeitig müssen die Geräte trotz der inhärenten Komplexität der Monitore und der kritischen Natur ihrer Funktionen für die Patienten komfortabel und sowohl für das medizinische Fachpersonal als auch für die Patienten (wo angemessen) einfach zu bedienen sein. Die Verwendung eines sperrigen, ungeeigneten oder schlecht konstruierten Steckers oder einer Verbindung kann diese Ziele untergraben und unnötige Kosten verursachen.

Um den Anforderungen dieser Anwendungen gerecht zu werden, stehen den Entwicklern eine Reihe von immer raffinierteren Steckverbindern und Verbindungen zur Auswahl. Abhängig von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung können Entwickler zum Beispiel Flat-Flex-Steckverbinder (FFC) mit hoher Packungsdichte für eine kostengünstige automatisierte Montage, flexible gedruckte Kabel (FPCs) mit geringem Mittenabstand, wo Draht-zu-Board-Lösungen unpraktisch sind, oder USB-Typ-C®-Steckverbinder, die kompakte, einfach zu bedienende Highspeed-Verbindungen bieten, wählen.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Verbindungsanforderungen von Patientenüberwachungsgeräten, wobei die Verbindungen innerhalb der Geräte und zwischen den Geräten und der Außenwelt betrachtet werden. Anschließend werden Beispiele für FFC-, FPC- und USB-Typ-C-Steckverbinder von Molex vorgestellt und die wichtigsten Merkmale und Vorteile sowie die richtige Anwendung aufgezeigt.

Bedarf an Board-zu-Board-Verbindungen

FFCs in Kombination mit FPCs können die Anforderungen der Entwickler an Board-zu-Board-Verbindungssysteme mit hoher Packungsdichte und hoher Geschwindigkeit für Patientenüberwachungsgeräte erfüllen. Einige dieser Steckverbinder können sowohl bei manuellen als auch bei robotergestützten Montagevorgängen eingesetzt werden und verfügen über einen Ein-Schritt-Steckvorgang mit einem Mechanismus zur automatischen Verriegelung (Abbildung 1).

Abbildung 1: FFCs und FPCs können sowohl in der manuellen als auch in der robotergestützten Montage eingesetzt werden und verfügen über eine Ein-Schritt-Steckverbindung mit einem Mechanismus zur automatischen Verriegelung. (Bildquelle: DigiKey)

FFC-Board-zu-Board-Steckverbinder können zur Unterstützung von Datenraten bis zu 40 Gigahertz (GHz) eingesetzt werden und bieten bis zu 80 Anschlüsse in verschiedenen flachen Ausrichtungen, einschließlich rechtwinklig und vertikal, um flexible Designoptionen zu ermöglichen. Die Anschlussabstände können weniger als einen Millimeter (mm) betragen, um enge Gehäusedesigns zu unterstützen. Es sind ZIF- (kraftlose Einführung) und Nicht-ZIF-Ausführungen erhältlich, um die Anforderungen spezifischer Anwendungen zu erfüllen.

Einige FFCs sind für Temperaturen bis zu 150 Grad Celsius (°C) spezifiziert. Sie sind für die Verwendung mit einer Vielzahl von Verkabelungsoptionen ausgelegt, darunter generische FFC-Kabel, verriegelbare FFC-Kabel oder kundenspezifische FFC-Kabel. Diese Steckverbinder können häufig Standard- oder geschirmte FFCs aufnehmen, und die Erdungsanschlüsse unterstützen die Anforderungen von Highspeed-Protokollen wie LVDS (Low-Voltage Differential Signaling). Für maximale Leistung sollten abgeschirmte Kabel mit Steckern verwendet werden, die geerdete Klemmen besitzen.

Anschluss von Patientenmonitoren an die Außenwelt

Die Überwachung des Patienten ist von entscheidender Bedeutung, damit das Pflegepersonal nachvollziehen kann, wie der Körper auf Therapien reagiert, um die Auswirkungen einer Krankheit oder eines anderen körperlichen Leidens zu lindern oder zu beheben. Dazu ist es oft erforderlich, die überwachten Daten an Geräte außerhalb des Überwachungsgeräts zu übertragen.

USB-Typ-C-Stecker können eine gute Wahl für den Anschluss von Patientenüberwachungsgeräten an externe Geräte wie HDMI-Monitore und Datenspeichersysteme sein. Diese Steckverbinder bieten eine symmetrische und wendbare Pinbelegung, die eine einfache Verwendung und Flexibilität unterstützt, da sie in beiden Richtungen angeschlossen werden können (Abbildung 2).

Abbildung 2: USB-Typ-C-Stecker haben eine symmetrische und wendbare Pinbelegung, die eine einfache Nutzung und Flexibilität unterstützt. (Bildquelle: DigiKey)

USB-Typ-C-Stecker sind erforderlich, um die neuesten USB4-Protokolle zu implementieren. USB4 basiert auf der Thunderbolt-3-Schnittstelle, ermöglicht das Tunneln von DisplayPort- und PCI-Express-Daten (PCIe) und unterstützt eine nominale Datenrate von 20 Gigabit pro Sekunde (Gbits/s), die auf bis zu 40 Gbits/s erweitert werden kann. USB4 bietet die Möglichkeit, dass sich mehrere Endgerätetypen dynamisch eine einzige Highspeed-Verbindung teilen können, die die Datenübertragung nach Typ und Anwendung optimiert. Daher kann, verglichen mit USB 3.2, die nominale Datenrate von 20 Gbit/s bei Verwendung von Tunneling zu einem höheren effektiven Durchsatz beim Senden von gemischten Daten führen.

Das USB-Power-Delivery-Protokoll (PD) liefert bis zu 20 Volt, 5 Ampere (A) und 100 Watt zum Laden und für andere Zwecke, einschließlich erweiterter Datenübertragungsmöglichkeiten. USB Typ-C PD kann die Akkuladezeit um 40 % bis 64 % reduzieren, verglichen mit der 1,8A-Ladeleistung von Micro-USB 2.0. Die intelligenten und flexiblen Energieverwaltungsfunktionen auf Systemebene von USB PD unterstützen eine bidirektionale Stromversorgung, die in Echtzeit die Richtung wechseln kann, und ermöglichen die Typ-C-Unterstützung für andere Standards wie DisplayPort, HDMI oder PCIe.

Fast Role Swap (FRS) ist eine Verbesserung in der neuesten Version der USB-Typ-C-PD-Spezifikation. Entwickler können FRS verwenden, um das Risiko von Datenverlusten zu verringern und die Signalintegrität in USB-Peripheriegeräten, wie z. B. Patientenüberwachungsgeräten, zu erhalten, falls ein Stromkabel unerwartet von einem Hub oder Dock entfernt wird. FRS wird innerhalb von 150 Mikrosekunden (µs) implementiert, so dass die Batterie zur Quelle und das andere Gerät zur Senke wird, wodurch ein unterbrechungsfreier Betrieb gewährleistet ist. Die Datenkommunikation wird ohne Unterbrechung in einer Richtung fortgesetzt, wodurch der Systembetrieb aufrechterhalten und Störungen vermieden werden, auch wenn sich die Stromversorgungsrichtung umkehrt.

Eine weitere Leistungsverbesserung von USB PD unter USB4 ist die programmierbare Stromversorgung (PPS). PPS ermöglicht kleine Schrittänderungen von Spannung und Strom. Wenn eine Stromsenke an eine PPS-fähige Stromquelle angeschlossen ist, kann sie Änderungen der von der Quelle gelieferten Leistung anfordern. PPS kann ein schnelles Laden von Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen und den Gesamtwirkungsgrad des Systems verbessern, was die thermische Belastung reduziert und eine höhere Packungsdichte des Systems unterstützt.

Board-zu-Board-Verbinder für medizinische Überwachungsgeräte

Wie bereits erwähnt, können FFCs in Kombination mit FPCs den Bedarf der Entwickler von Patientenüberwachungsgeräten an Board-zu-Board-Verbindungssystemen mit hoher Packungsdichte und hoher Geschwindigkeit erfüllen, die entweder manuell oder per Roboter montiert werden können. Das Modell 0541324062 aus dem Portfolio Easy-On FFC/FPC von Molex ist ein gutes Beispiel dafür. Der Steckverbinder hat 40 Positionen mit Goldbeschichtung im Raster von 0,50 Millimeter (mm) (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der Easy-On-FFC/FPC-Steckverbinder von Molex, Modell 0541324062, verfügt über 40 Positionen mit Goldbeschichtung im Raster 0,50 mm. (Bildquelle: Molex)

Das Modell 0541324062 unterstützt Datenraten bis zu 10 Gbit/s. Die vollständige Kabeleinführung und das sichere Stecken werden durch die formschlüssige Trägheitsverriegelung realisiert. Die Schock- und Vibrationsfestigkeit wird durch die Kabelhaltekraft von 20 Newton (N) gewährleistet. Robuste Lötfahnen sorgen für Platinenhalt und Zugentlastung.

In Verbindung mit dem Easy-On-FFC/FPC-Steckverbinder Modell 541324062 passt das Modell 0151660431 aus dem FFC-Sortiment Premo-Flex von Molex zu den 40 Positionen und dem Raster 0,50 mm des Steckverbinders und hat eine Länge von 102,00 mm (Abbildung 4). Dieses Board-zu-Board-Verbindungssystem kann Entwicklern helfen, Herausforderungen in platzbeschränkten oder schwer zugänglichen Anwendungen zu lösen.

Abbildung 4: Das Premo-Flex-FFC-Brückenkabel 0151660431 von Molex im 0,50 mm Raster hat 40 Positionen und ist 102,00 mm lang. (Bildquelle: Molex)

Molex bietet Premo-Flex-Brückenkabel in verschiedenen Kabellängen, Schaltungsgrößen, Rastern und Dicken an. Diese langlebigen, ultraflexiblen Kabel sind bis 105 °C ausgelegt und haben eine Lebensdauer von 900.000 Zyklen, verglichen mit 6000 Zyklen bei Standard-Brücken.

Beachten Sie, dass beim Verbinden oder Trennen eines FFC-Brückenkabels von einem Easy-On-FFC/FPC-Steckverbinder sichergestellt werden muss, dass alle Verbindungen spannungsfrei sind, um Funkenbildung zu vermeiden, die die Kontakte beschädigen kann. Außerdem sollte beim Öffnen oder Schließen des Verriegelungsaktors Kraft auf beide Seiten des Aktors ausgeübt werden. Die Anwendung von Kraft auf nur eine Seite kann zu einer Beschädigung des Steckers führen. Schließlich sollte beim Einführen des Flexkabels in den Steckverbinder keine Zugkraft oder Spannung auf das Kabel ausgeübt werden. Andernfalls kann der Aktor nicht richtig verriegeln, das Kabel kann beschädigt oder die Leiterbahnen können durchtrennt werden.

Externe Highspeed-Verbindungen

Steckverbinder wie der 1054500101 aus dem USB-Typ-C-Portfolio von Molex können eine störungsfreie Datenübertragungen aus Patientenüberwachungssystemen und hohe Signalintegrität unterstützen und gleichzeitig Geräte mit Strom versorgen (Abbildung 5). Molex verwendet drei Einsatz-Vergussverfahren in seinen USB-Typ-C-Steckern, um die Gegenzunge zu einem einzigen Teil zu machen und das Eindringen von Wasser zu minimieren. Das Risiko von abgehobenen oder verbogenen Klemmen wird durch drei zusätzliche Spritzgussverfahren minimiert, die zu einer höheren mechanischen Haltbarkeit und einer höheren elektrischen Zuverlässigkeit führen. Diese Steckverbinder bieten eine dauerhafte Lösung, die für 10.000 Steck- und Trennzyklen ausgelegt ist und unsachgemäßen Steckversuchen und anderem Missbrauch standhält.

Abbildung 5: USB-Typ-C-Steckverbinder wie der 1054500101 können störungsfreie Datenübertragungen unterstützen und medizinische Überwachungsgeräte mit Strom versorgen. (Bildquelle: Molex)

Diese Hochleistungssteckverbinder bieten:

• Bis zu 40 Gbit/s Datenrate zur Unterstützung von Highspeed-Netzwerkanwendungen
• Unterstützung von hochwertigen Displays mit 4K-Auflösung
• Abschirmung zum Schutz vor EMI/RFI
• Verhinderung von elektrischen Kurzschlüssen beim Stecken durch die Verwendung eines Mylar-Steckers zwischen Gehäuse und Schale
• Stabile elektrische Leistung zur Unterstützung höherer Stromkapazitäten und minimaler Temperaturerhöhungen

Die erhöhte Leistungskapazität und der sehr enge Pin-Abstand bei USB-Typ-C-Steckern bedeutet, dass sich die Entwickler der potenziellen Sicherheits- und Brandgefahren im Falle eines thermischen Durchgehens bewusst sein müssen. Unter normalen Bedingungen gewährleisten die USB-PD-Leistungsregeln einen sicheren Betrieb. Eine Beschädigung eines Steckers oder Kabels kann jedoch zu einem Betrieb außerhalb des sicheren Bereichs führen. Überstrom- und Übertemperaturschutz sind häufig in den Designs von USB-Typ-C-Steckern und -Kabeln enthalten, um das Potenzial für ein thermisches Durchgehen zu reduzieren.

Die SuperSpeed-Sende-Differenzpaare in USB-Typ-C-Kabeln haben eine Differenzimpedanz von 90 Ohm (Ω). Ausführungen, die einen alternativen Modus verwenden, müssen auch 90 Ω verarbeiten können.

Fazit

Da der Bedarf an Patientenüberwachung zunimmt, benötigen die Entwickler solcher Systeme Steckverbinder und zugehörige Verbindungskabel und Steckbrücken, die zuverlässig mehrere Arten von Hochgeschwindigkeitsdaten sowie Strom- und Steuersignale sowohl zum als auch vom Patienten transportieren können. Die Anschlüsse müssen oft unter beengten Platzverhältnissen bei minimalen Kosten hergestellt werden, wobei gleichzeitig eine einfache Handhabung und eine minimale Beeinträchtigung des Patientenkomforts gewährleistet sein muss.

Wie gezeigt, haben sich FFCs, FPCs und USB-Typ-C-Steckverbinder entwickelt, um diese Herausforderungen durch effiziente Montage, hohe Signalintegrität und größere Benutzerfreundlichkeit zu bewältigen. Mit der richtigen Kombination dieser Steckverbinder und Verbindungen können Entwickler die inhärente Komplexität der Patientenüberwachung von der elektrischen Leistung bis zur Pflegequalität angehen.

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