Načrtovalci medicinskih pripomočkov in sistemov potrebujejo konektorje, ki jim bodo v pomoč pri vse večji zapletenosti oziroma majhnosti oblik in ki bodo hkrati zagotavljali visoko raven zanesljivosti ter zmogljivosti pri različnih modelih uporabe.
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
Nekateri konektorji so znotraj sistema nedostopni, zaradi česar je zanesljivost kritična. Druge konektorje redno uporabljajo kirurgi, zdravniki, zdravstveni delavci ali tehniki, zato sta pomembna tudi preprostost uporabe in visoko število ciklov spajanja.
Odvisno od uporabe morajo biti konektorji za medicinske pripomočke in sisteme skladni s standardi, kot so IEC 60601, ISO 80369-1 in ISO 13485, in lahko zahtevajo stroge okoljske preskuse, ki presegajo običajne industrijske standarde in specifikacije.
Skupaj z uporabnim modelom in specifičnimi standardi morajo načrtovalci upoštevati tehnične kompromise med tehnologijo konektorjev brez vrnitve na nič (NRZ), imenovano tudi 2-nivojska pulzna amplitudna modulacija (PAM2), ter 4-nivojsko pulzno amplitudno modulacijo (PAM4) za doseganje optimalnih stroškov in zmogljivosti za določen primer uporabe.
Načrtovalcem je pri določanju najboljše rešitve na voljo širok nabor tipov konektorjev. Za pomoč pri procesu se ta članek začne s kratkim pregledom petih pomembnih dejavnikov, ki jih je treba upoštevati pri izbiri konektorjev za medicinske pripomočke. Nadaljuje se s predstavitvijo primerov možnosti konektorjev ponudnika Samtec, konča pa s pregledom vidikov uporabe pri integriranju konektorjev v sisteme, ki delujejo pri visokih hitrostih.
Primerjava med NRZ in PAM4
NRZ oddaja 1 bit informacij na interval signala. PAM4 je format večnivojske modulacije signala s prepustnostjo 2 bita na interval. Pri NRZ »očesu« zgornji del predstavlja »1«, spodnji pa »0«, medtem ko je signal PAM4 sestavljen iz treh usklajenih očes, oblikovanih z uporabo štirih napetostnih nivojev: 00, 01, 10 in 11 (slika 1). Višina oči je pomemben dejavnik. Večja kot je višina očesa signala NRZ, kakovostnejši je signal. Tehnologija NRZ je preprostejša za uvajanje, vključuje nižje odboje oziroma boljše razmerje med signalom in šumom (SNR) ter je v primerjavi s tehnologijo PAM4 cenovno ugodnejša. Tehnologija PAM4 pa je sama po sebi hitrejša in se uporablja pri visokohitrostnih povezavah, kot so večgigabitne komunikacije.
Mehanski vidiki
Mehanski vidiki pri izbiri konektorjev vključujejo razmik kontaktov, tip spajanja, obliko zaključka in velikost (slika 2). Razmik določa razdaljo med osrednjimi deli kontaktov. Lahko je večštevilski; razmik med kontakti v posamezni vrsti in razmik med vrstami sta lahko enaka ali različna. Konektorji na tiskanih vezjih (PC-ploščah) lahko uporabljajo vodoravno, navpično ali pravokotno spajanje. Naslednji vidik je zadrževalna sila, ki določa stopnjo preprostosti odstranitve konektorja.
Običajne oblike zaključkov zajemajo THT zaključke, SMD zaključke, zaključke za pritrditev s spajkalno pasto in zaključke za pritrditev s pritiskanjem. Vtični kontakti se namestijo skozi luknjo v tiskanem vezju in zagotavljajo trdne povezave med sloji tiskanega vezja. SMD konektorji se pritrdijo na površino tiskanega vezja in ne zahtevajo vrtanja lukenj. V primerjavi THT konektorji lahko vključujejo manjše razmike. V vse večjem številu aplikacij se namesto THT zaključkov uporabljajo SMD zaključki.
Konektorji za pritrditev s spajkalno pasto se namestijo v luknje, ki niso v celoti zvrtane skozi tiskano vezje. Za uporabo pri površinski pritrditvi ali pritrditvi s spajkalno pasto mora biti material ohišja konektorja zmožen prenesti temperature ponovnega spajkanja, konektorji pa morajo imeti v vodoravni in navpični smeri dovolj prostora, da sprejmejo zahtevano količino spajkalne paste.
Zaključki za pritrditev s pritiskanjem ne vključujejo spajkanja in so cenovno ugodnejši, vendar zahtevajo posebno orodje za namestitev. Pritisnejo se v luknjo na tiskanem vezju, na mesto pa jih pritrjujejo tlačne sile. Manj običajne oblike zaključkov zajemajo ploske mrežne nize, kroglične mrežne nize, ovijanje žice, stiskanje in vijačne zaključke.
Preprostost uporabe
Kontaktna upornost, cikli spajanja in sila spajanja/ločevanja prispevajo k preprostosti uporabe konektorjev v aplikacijah, pri katerih je treba konektorje redno spajati in ločevati. Nižja kot je stopnja kontaktne upornosti, manj energije se izgubi prek konektorja. Majhna sila spajanja/ločevanja lahko prispeva k preprostosti uporabe, če je stopnja kontaktne upornosti dovolj nizka, da izpolnjuje električne zahteve. Specifikacije ciklov spajanja/ločevanja konektorjev so omejene in obsegajo od več deset ciklov do več tisoč ciklov. Življenjska doba konektorja mora biti usklajena z zahtevami aplikacije.
Ko se kontakti konektorja spojijo, se kontakt premakne in kovina se upogne. Upogibanje je pomembno in določa silo, potrebno za spojitev in ločitev konektorja, ter kontaktno upornost. Poleg tega upogibanje povzroča obremenitve v kontaktih, zaradi česar se sila spajanja/ločevanja sčasoma zmanjša, stopnja kontaktne upornosti pa poviša. Življenjska doba cikla se podaljša, kadar medeninasto osnovno kovino, ki se običajno uporablja v kontaktih konektorjev, nadomesti dražja kovina iz fosforjevega brona. Fosforjev bron je prožnejši od medenine in manj dovzeten za obremenitve, ki omejujejo življenjsko dobo bronastih kontaktov.
IEC 60601, ISO 80369-1 in ISO 13485
Za različne medicinske sisteme in pripomočke se uporabljajo številni industrijski standardi, specifični za posamezne aplikacije. Trije splošnejši standardi, ki jih je treba upoštevati pri vseh zasnovah, so:
- ISO 80369-1: Ta standard se osredotoča na metodologijo načrtovanja za zmanjšanje tveganja napačnih povezav med medicinskimi pripomočki ali dodatki za različne aplikacije.
- IEC 60601: Ta standard se osredotoča na splošne zahteve za osnovno varnost in bistvene lastnosti, vključno z elektromagnetnimi motnjami (EMI) in elektromagnetno združljivostjo (EMC).
- ISO 13485: Ta standard se osredotoča na sisteme vodenja kakovosti, potrebne za sledenje komponent in procesov, ki se uporabljajo v proizvodnem procesu. Navezuje se na standard ISO-9001.
Preskušanje, ki presega industrijske standarde
Preskušanje v zahtevnem okolju (SET) je nabor preskusov, ki jih je razvil ponudnik Samtec in ki presegajo običajne industrijske standarde oziroma specifikacije ter vključujejo naslednje:
- 250 ciklov spajanja s 100-odstotno vlažnostjo
- Močni udarci in tresljaji na podlagi nizke stopnje kontaktne upornosti (LLCR) ter zaznavanje dogodkov
- Preskušanje LLCR z uporabo vrha 40-kratne standardne gravitacijske sile (g), 11 milisekund (ms), polsinusna krivulja in 12 g RMS, 5–2000 hercev (Hz), 1 ura/os
- Zaznavanje dogodkov v skladu s standardi EIA-364-87, EIA-364-27 in EIA-364-28 na podlagi enakega preskusnega postopka kot pri preskušanju LLCR
- 500 temperaturnih ciklov
- Temperaturno preskušanje neoperativnega razreda, pri katerem se za konektor izvedejo preskus LLCR, 100 ciklov pri izpostavljenosti temperaturam od –55 do 105 °C, nato znova preskus LLCR, 100 ciklov pri izpostavljenosti temperaturam od –65 do 125 °C in nato znova preskus LLCR. Konektor uspešno opravi preskušanje, če pri preskusu LLCR ohranja spremembo ≤5 miliohmov (mΩ)
- Napetost dielektričnetrdnosti na nadmorski višini 70.000 čevljev
- Preskušanje elektrostatične razelektritve (ESD) se pri konektorjih običajno ne izvaja, vendar je vključeno v preskušanje v zahtevnem okolju
Konektorji, ki prenesejo 10.000 ciklov spajanja
Načrtovalci, ki potrebujejo do 10.000 ciklov spajanja nekega konektorja, lahko uporabijo nabor izdelkov TFM in SFM ponudnika Samtec, ki so del sistema konektorjev za medsebojno povezavo Tiger Eye. Ti konektorji so zasnovani za mikro, robustne, izjemno zanesljive aplikacije z velikim številom ciklov in so na voljo s tremi razmiki; 0,80, 1,27 in 2,00 milimetra (mm). Ti konektorji imajo toplotno obdelane večprstne kontakte iz berilijevega bakra (BeCu), ki so optimizirani za aplikacije z velikim številom ciklov, in so zasnovani za uporabo v zahtevnih okoljih (slika 3). Model TFM-105-01-S-D-A je na primer 10-položajna glava s kontakti z razmikom 1,27 mm.
Gladka površina za spajanje kontakta ne povzroča obremenitev na prevleko, kar zagotavlja nižjo stopnjo kontaktne upornosti, daljšo življenjsko dobo prevleke in daljšo življenjsko dobo cikla. Spajka zlahka prodre v mikro režo na zadnjem delu, kar zagotavlja večjo trdnost spajkalnega spoja. Ti konektorji so polarizirani, da zagotovijo pravilno spajanje, izbirni torni zatiči pa povečajo varnost povezave.
Konektorji z visoko gostoto za visoke hitrosti
Za aplikacije, ki zahtevajo visoko hitrost in visoko gostoto, se lahko uporabijo nizi pritisnih polj z odprtimi priključkiSEARAY 1,27 mm ponudnika Samtec. Ti konektorji imajo do 500 kontaktov, optimiziranih za zagotavljanje celovitosti signala, in so na voljo z možnostjo navpične ali pravokotne pritrditve (slika 4). Ta sistem vključuje do 10 vrst in 50 kontaktov na vrsto, kar omogoča prilagodljivost ozemljitve in usmerjanja, izbiro višine sklada 7 mm, 8 mm, 8,5 mm ali 9,5 mm ter zmožnost obdelave signalov do 28 gigabitov na sekundo (Gb/s). Izdelek s številko dela SEAFP-40-05.0-S-06 je na primer zasnovan za navpično pritrditev z 240 kontakti in vtičnimi zaključki.
Konektorji za PAM4 ali NRZ
Za aplikacije, ki zahtevajo večjo gostoto kontaktov in hitrost več kot 28 Gb/s, se lahko uporabi nabor izdelkov SEARAY 56 Gb/s. Njihov razmik 0,8 mm zagotavlja dvakrat večjo gostoto kontaktov kot pri konektorjih z razmikom 1,27 mm, na voljo so z višino sklada 7 mm in 10 mm ter podpirajo komunikacije PAM4 ali NRZ. Konfiguracije so na voljo z do 12 vrstami po 60 kontaktov (skupaj 720 kontaktov). Ti nizi polj z odprtimi priključki zagotavljajo kar največjo prilagodljivost ozemljitve in usmerjanja, vključno s pari diferencialnih signalov, asimetričnim prenosom signala in napajanjem (slika 5). Izdelek s številko dela SEAF8-20-05.0-S-04-2-K vključuje 80 pozlačenih kontaktov in zaključke za površinsko pritrditev. Ti konektorji so preskušeni v zahtevnem okolju.
Vidiki uporabe konektorjev za visoke hitrosti
Pri uporabi konektorjev za visoke hitrosti v medicinskih aplikacijah morajo načrtovalci upoštevati številne dejavnike v zvezi s celovitostjo signala in elektromagnetnimi motnjami, zato nekateri od teh vidikov vključujejo naslednje:
- Krajša razdalja pomeni boljši signal. Krajši konektorji zagotavljajo kakovostnejši signal. Krajši kot je konektor, krajši je čas, ki je na voljo za pojav odbojev in presluha.
- Pomembno je razmerje med signalom in ozemljitvijo. V večini primerov je razmerje 1 : 1 optimalno, vendar je za konektorje z velikim številom priključkov morda potrebno razmerje, manjše od 1 : 1, da se zagotovi zanesljivo visokohitrostno delovanje z asimetričnim prenosom.
- Zaščita z ozemljitvijo kontaktnih parov je priporočljiva za diferencialne konektorje, ki prenašajo signale 2,5 Gb/s ali hitrejše.
- Neporavnanost lahko pri tiskanih vezjih z več konektorji pomeni resno težavo. Natančno upoštevajte proizvajalčeve priporočene specifikacije za povezave zaključkov in ohranjajte tolerance premera lukenj za poravnavo ± 0,002 palca (0,05 mm).
- Težave z elektromagnetnimi motnjami niso omejene zgolj na tiskana vezja. Konektorji med vezji so lahko pomemben dejavnik v zvezi z elektromagnetnimi motnjami in jih je treba že od začetka obravnavati kot del celotne zasnove.
Zaključek
Izbira konektorjev za medicinske sisteme je pomembna in zapletena dejavnost. Konektorje je treba optimizirati, da izpolnjujejo zahteve glede mehanske vzdržljivosti, zanesljivosti in preprostosti uporabe, poleg tega pa morajo izpolnjevati električne specifikacije in podpirati komunikacijske protokole, kot sta NRZ in PAM4.
Upoštevanje ustreznih industrijskih standardov je pomembno, pogostokrat pa se zahteva preskušanje, ki presega industrijske norme (na primer z napravami Samtec, omenjenimi v tem članku), da se zagotovi visoka raven zmogljivosti, pričakovana v zvezi s konektorji v medicinskih pripomočkih in sistemih.
Priporočeno branje:
- Secure-by-Design Medical IoT and Wearable Devices
- Kako izbrati in uporabljati ustrezne komponente za zaščito medicinskih pripomočkov, uporabnikov in pacientov
- Kako pravilno uvesti uporabo zvočnih alarmov v zdravstveni nadzor
