Złącza typu board-to-board (złącze) w technika medyczna
Właściwe kontakty w branży technika medyczna
W branży technika medyczna scenę zdominują połączone w sieć urządzenia MedTech wyposażone w coraz więcej inteligentnych czujników. Najsurowsze przepisy i najwyższy poziom zabezpieczenia przed awariami wyznaczają kierunek, w którym muszą podążać stosowane produkty i komponenty. Miniaturyzacja, szybkość transmisji danych oraz promieniowanie elektromagnetyczne to wyraźnie określone wymagania, którym muszą sprostać złącza typu board-to-board (złącze). Dla projektanta sprzętu są to kryteria, które w decydujący sposób kształtują projekt urządzenia.
Dzisiaj pacjenci muszą jeszcze dostosowywać się do struktur systemu opieki zdrowotnej. Już jutro – a prognozy firmy Deloitte dotyczą roku 2025 – opieka zdrowotna będzie się dostosowywać dokładnie odwrotnie, do pacjentów, ich lokalizacji i harmonogramów. Przejście w kierunku tej „medycyny 4P” (predictive, preventative, personalized, participatory) jest wspierane przez wiele innowacji cyfrowych.
Ta zmiana paradygmatu będzie widoczna u producentów sprzętu medycznego. Liczba inteligentnych czujników rośnie wraz z łączeniem produktów w Internet of Medical Things (IoMT). W opiece nad pacjentami wzrasta komfort, na przykład dzięki bezprzewodowym połączeniom z elektroniczną kartoteką pacjenta oraz przesyłaniu i monitorowaniu parametrów życiowych w czasie rzeczywistym. Dzięki analizie danych, metodom kognitywnym i robotyce pojawiają się kolejne obszary potencjału w służbie zdrowia.
Ta zmiana paradygmatu będzie widoczna u producentów sprzętu medycznego. Liczba inteligentnych czujników rośnie wraz z łączeniem produktów w Internet of Medical Things (IoMT). W opiece nad pacjentami wzrasta komfort, na przykład dzięki bezprzewodowym połączeniom z elektroniczną kartoteką pacjenta oraz przesyłaniu i monitorowaniu parametrów życiowych w czasie rzeczywistym. Dzięki analizie danych, metodom kognitywnym i robotyce pojawiają się kolejne obszary potencjału w służbie zdrowia.
High-speed i EMC w centrum uwagi urządzeń techniki medycznej
Medyczne systemy obrazowania, takie jak tomografy komputerowe, aparaty MRI i cyfrowe aparaty rentgenowskie, przetwarzają w czasie rzeczywistym do 20 Gbit/s danych obrazowych i danych pacjentów. To samo dotyczy zastosowań w telemedycynie i zdalnym monitorowaniu. Również w robotyce chirurgicznej wymagana jest transmisja obrazów i poleceń sterujących w czasie rzeczywistym między konsolą chirurga a systemem robotycznym. Endoskopia o wysokiej rozdzielczości, a także urządzenia wszczepialne i systemy monitorowania pacjentów to kolejne dziedziny, które opierają się na transmisji danych, ale kładą również nacisk na aspekty projektowania związane z kompatybilnością elektromagnetyczną (EMC) w celu zapewnienia odporności na zakłócenia (odporność) oraz bezpieczeństwa pacjentów.
Inne trendy, takie jak wzrost popularności czujników wieloskładnikowych oraz coraz bardziej połączonych w sieć systemów całościowych, wymagają szybkiej, niezawodnej i bezpiecznej transmisji danych przez różne interfejsy – fakt ten dotyczy w szczególności urządzeń medycznych. Kluczową rolę odgrywa tu integralność sygnału (integralność sygnału), zwłaszcza w zastosowaniach, w których dominują dane o wysokiej precyzji i niezawodności. Stałe prądy i dokładne dane są niezbędne do zapewnienia bezpieczeństwa funkcjonalnego, niezawodności i wydajności urządzeń. Wysokie szybkości transmisji, niekiedy na dużych odległościach, mogą w przypadku zakłóceń, takich jak szumy, straty spowodowane sprzężeniem zwrotnym, a także zniekształcenia i przesłuch, wpływać na sygnały elektryczne w takim stopniu, że dochodzi do błędów i awarii urządzeń.
Inne trendy, takie jak wzrost popularności czujników wieloskładnikowych oraz coraz bardziej połączonych w sieć systemów całościowych, wymagają szybkiej, niezawodnej i bezpiecznej transmisji danych przez różne interfejsy – fakt ten dotyczy w szczególności urządzeń medycznych. Kluczową rolę odgrywa tu integralność sygnału (integralność sygnału), zwłaszcza w zastosowaniach, w których dominują dane o wysokiej precyzji i niezawodności. Stałe prądy i dokładne dane są niezbędne do zapewnienia bezpieczeństwa funkcjonalnego, niezawodności i wydajności urządzeń. Wysokie szybkości transmisji, niekiedy na dużych odległościach, mogą w przypadku zakłóceń, takich jak szumy, straty spowodowane sprzężeniem zwrotnym, a także zniekształcenia i przesłuch, wpływać na sygnały elektryczne w takim stopniu, że dochodzi do błędów i awarii urządzeń.
Zgodność z odpowiednimi normami branżowymi
W ramach wymogów regulacyjnych, takich jak rozporządzenie w sprawie wyrobów medycznych (MDR) w Unii Europejskiej czy przepisy Agencji ds. Żywności i Leków (FDA) w Stanach Zjednoczonych, należy zapewnić dopuszczenie do obrotu i bezpieczne użytkowanie urządzeń. Ponadto trendem wśród wszystkich projektantów sprzętu jest wymóg jeszcze bardziej efektywnego wykorzystania coraz mniejszej przestrzeni montażowej w urządzeniach medycznych, przy czym obciążenia, jakim poddawane są urządzenia – takie jak wstrząsy, wibracje i drgania, a także termiczne i chemiczne czynniki środowiskowe – nadal wymagają, aby wszystkie urządzenia były wytrzymałe.
Ponadto istnieją trzy ukierunkowane, specyficzne dla danego zastosowania normy branżowe dotyczące urządzeń medycznych, które należy uwzględnić we wszystkich projektach. Po pierwsze, norma ISO 80369-1, która dotyczy metodologii projektowania mającej na celu zmniejszenie ryzyka nieprawidłowego podłączenia urządzeń medycznych lub akcesoriów. Po drugie, norma IEC 60601, która opisuje ogólne wymagania dotyczące bezpieczeństwa podstawowego i zasadniczych parametrów eksploatacyjnych, w tym zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oraz kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). I po trzecie, norma ISO 13485, która odnosi się do systemów jakości odpowiedzialnych za identyfikowalność komponentów i procesów stosowanych w procesie produkcyjnym.
Ponadto istnieją trzy ukierunkowane, specyficzne dla danego zastosowania normy branżowe dotyczące urządzeń medycznych, które należy uwzględnić we wszystkich projektach. Po pierwsze, norma ISO 80369-1, która dotyczy metodologii projektowania mającej na celu zmniejszenie ryzyka nieprawidłowego podłączenia urządzeń medycznych lub akcesoriów. Po drugie, norma IEC 60601, która opisuje ogólne wymagania dotyczące bezpieczeństwa podstawowego i zasadniczych parametrów eksploatacyjnych, w tym zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oraz kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). I po trzecie, norma ISO 13485, która odnosi się do systemów jakości odpowiedzialnych za identyfikowalność komponentów i procesów stosowanych w procesie produkcyjnym.
Złącza typu board-to-board (złącze) jako przekaźniki sygnałów
W miarę jak złożoność i gęstość integracji w urządzeniach medycznych stale rośnie, a istniejące i nowe funkcje trzeba integrować na bardzo ograniczonej przestrzeni, wymagania wobec złączy typu „złącze płytka-płytka”, pełniących rolę pomostu między płytkami drukowanymi, są niezwykle wysokie. Najróżniejsze miejsca i obszary zastosowań narażają urządzenia na wibracje i wstrząsy. Złącza muszą zapewniać długotrwałe bezpieczeństwo styku nawet przy mikroruchach. Wytrzymałość, transmisja danych oraz EMC-ekranowanie to dla projektantów sprzętu trzy filary konstrukcji mechanicznej urządzeń.
złącze najnowszej generacji muszą minimalizować zakłócenia w transmisji sygnału, a konstrukcja styków wtyczek musi być do tego idealnie dostosowana. Dlatego też celem jest zawsze uniknięcie zagrożeń związanych z transmisją danych, do których zaliczają się przede wszystkim wahania impedancji spowodowane zmianami materiałowymi i geometrycznymi, a także tłumienie wynikające ze strat wtrąceniowych (Insertion Loss) i strat odbicia (Return Loss), jak również przesłuch.
złącze najnowszej generacji muszą minimalizować zakłócenia w transmisji sygnału, a konstrukcja styków wtyczek musi być do tego idealnie dostosowana. Dlatego też celem jest zawsze uniknięcie zagrożeń związanych z transmisją danych, do których zaliczają się przede wszystkim wahania impedancji spowodowane zmianami materiałowymi i geometrycznymi, a także tłumienie wynikające ze strat wtrąceniowych (Insertion Loss) i strat odbicia (Return Loss), jak również przesłuch.
Ochrona sygnału jako podstawa
Jeśli chodzi o oddziaływania elektromagnetyczne, sygnały o dużej prędkości wymagają specjalnej ochrony. Złącze (złącze) może w tym przypadku pełnić rolę zarówno źródła zakłóceń, jak i ich pochłaniacza. W tym przypadku zaleca się ochronę sygnału za pomocą blachy ekranującej (blacha ekranująca), aby zabezpieczyć wrażliwe sygnały przed wpływami zewnętrznymi. Z poniższego rysunku wynika, że nawet niewielki impuls elektryczny może zafałszować sygnał użytkowy.
Odbiornik nie jest w stanie jednoznacznie zinterpretować stanów cyfrowych sygnału HDMI już po krótkim impulsie typu burst o napięciu 0,5 kV, podczas gdy transmisja sygnału przez ekranowane złącze pozostaje stabilna nawet przy napięciu 4,4 kV. indukcyjność wzajemna
LK opisuje złącze poprzez warunki elektryczne w obu funkcjach – źródła i obciążenia. Dotyczy to zarówno odporność, jak i emisja elektromagnetyczna. Jeśli znane są napięcie indukowane (Uind), napięcie generatora (UGen) oraz stała generatora (kGen), to maksymalną dopuszczalną indukcyjność sprzężeniową (LK) można określić za pomocą następującego równania:
LK = Uind / (UGen * kGen) (równanie 1)
Indukcyjność sprzężenia (indukcyjność wzajemna) pomaga ponadto użytkownikowi w doborze odpowiedniego złącza (złącze) pod kątem jego kompatybilności elektromagnetycznej oraz pozwala uniknąć kosztownych i czasochłonnych testów metodą prób i błędów w EMC-Laborze. Oto przykład: dla sygnału HDMI przy napięciu 4,4 kV ustalono maksymalną, specyficzną dla danego przypadku indukcyjność wzajemna w wysokości 47 pH. Jeśli wartość ta zostanie przekroczona, sygnał nie będzie już przesyłany bez zakłóceń.
LK opisuje złącze poprzez warunki elektryczne w obu funkcjach – źródła i obciążenia. Dotyczy to zarówno odporność, jak i emisja elektromagnetyczna. Jeśli znane są napięcie indukowane (Uind), napięcie generatora (UGen) oraz stała generatora (kGen), to maksymalną dopuszczalną indukcyjność sprzężeniową (LK) można określić za pomocą następującego równania:
LK = Uind / (UGen * kGen) (równanie 1)
Indukcyjność sprzężenia (indukcyjność wzajemna) pomaga ponadto użytkownikowi w doborze odpowiedniego złącza (złącze) pod kątem jego kompatybilności elektromagnetycznej oraz pozwala uniknąć kosztownych i czasochłonnych testów metodą prób i błędów w EMC-Laborze. Oto przykład: dla sygnału HDMI przy napięciu 4,4 kV ustalono maksymalną, specyficzną dla danego przypadku indukcyjność wzajemna w wysokości 47 pH. Jeśli wartość ta zostanie przekroczona, sygnał nie będzie już przesyłany bez zakłóceń.
Specjalnie do wymagających zastosowań przemysłowych
Rodzina produktów Zero8 firmy ept została zaprojektowana z myślą o tych wysokich wymaganiach w branży technika medyczna i dzięki dużej skalowalności zapewnia idealne dostosowanie do indywidualnych potrzeb – typy konstrukcyjne, wysokość wysokość piętrowania oraz liczba styków można dobierać indywidualnie. Gniazda i złącze są obecnie dostępne w typ mid-profile oraz low-profile, a w przyszłości pojawią się również wersje high-profile i kątowe. Dzięki różnym wysokościom konstrukcyjnym złącza Zero8 umożliwiają realizację odstępów między płytkami drukowanymi w zakresie od 6,00 mm do 21,00 mm, przy czym liczba styków może wynosić od dwunastu do 80. W celu zapewnienia ekranowanie można wybrać osłonę po obu stronach pary złączy, przy czym oczywiście wszystkie złącza Zero8 są ze sobą kompatybilne i można je dowolnie łączyć.
Dwustronna technologia połączeń ScaleX jest odporna na trudne warunki panujące w zastosowaniach przemysłowych i zapewnia niezawodne połączenie nawet przy obciążeniach mechanicznych, takich jak wstrząsy i wibracje. Ponadto kompensuje ona tolerancje po stronie urządzenia we wszystkich kierunkach w stanie po podłączeniu. Dzięki EMC-ekranowanie sygnały w środowisku przemysłowym są chronione przed czynnikami zewnętrznymi, a właściwości materiałowe gwarantują szybkość transmisji danych do 16 Gbit/s.
Więcej informacji o Zero8 »
Dwustronna technologia połączeń ScaleX jest odporna na trudne warunki panujące w zastosowaniach przemysłowych i zapewnia niezawodne połączenie nawet przy obciążeniach mechanicznych, takich jak wstrząsy i wibracje. Ponadto kompensuje ona tolerancje po stronie urządzenia we wszystkich kierunkach w stanie po podłączeniu. Dzięki EMC-ekranowanie sygnały w środowisku przemysłowym są chronione przed czynnikami zewnętrznymi, a właściwości materiałowe gwarantują szybkość transmisji danych do 16 Gbit/s.
Więcej informacji o Zero8 »
Nie należy lekceważyć znaczenia wyboru odpowiedniego złącze do zastosowań wymagających dużej prędkości. Jak opisano powyżej, szczególnie w technice medycznej występuje jednocześnie wiele wymagań. Jakie właściwości mechaniczne lub elektryczne muszą spełniać złącza typu złącze płytka-płytka, czy też jak wygląda konstrukcja elementów peryferyjnych wtyku – to wszystko są subtelne kwestie szczegółowe, które mogą mieć decydujące znaczenie przy wyborze, nawet na poziomie poszczególnych pinów.
Jesteś zainteresowany?
W takim razie od razu wybierz swoje złącze wyprodukowane w Europie:
Lista produktów
Mają Państwo pytania?
Prosimy o kontakt!
Zapytanie za pomocą formularza
+49 (0) 8861 2501 0
sales@ept.de
Prosimy o kontakt!
Zapytanie za pomocą formularza
+49 (0) 8861 2501 0
sales@ept.de