Utiliser des interconnexions denses et flexibles pour concevoir des dispositifs de surveillance des patients compacts et performants

Le suivi des patients pour de nombreuses maladies chroniques et conditions médicales se développe rapidement, et peut s'avérer crucial pour accélérer la guérison, prévenir les complications et maintenir une santé optimale. Les systèmes d'interconnexion typiques des dispositifs de surveillance des patients transmettent les données (y compris parfois des images haute résolution), l'alimentation et les signaux de commande dans le dispositif, et également depuis et vers le dispositif. Les concepteurs de ces systèmes doivent faire face à de nombreux défis, souvent contradictoires, notamment des facteurs de forme plus petits, un plus grand nombre de fonctionnalités et des débits de données plus rapides qui exigent une haute intégrité des signaux (SI) et des transferts de données fluides.

Dans le même temps, les dispositifs doivent être confortables pour les patients et faciles à utiliser, tant pour les professionnels de santé que pour les patients (le cas échéant), malgré la complexité inhérente aux moniteurs et la nature critique de leurs fonctions. L'utilisation d'une interconnexion ou d'un connecteur volumineux, inapproprié ou mal conçu peut compromettre ces objectifs et ajouter des coûts inutiles.

Pour répondre aux exigences de ces applications, les concepteurs ont le choix entre un certain nombre de connecteurs et d'interconnexions de plus en plus sophistiqués. Par exemple, en fonction des exigences de l'application spécifique, les concepteurs peuvent choisir des connecteurs haute densité plats flexibles (FFC) pour un assemblage automatisé à faible coût, des câbles imprimés flexibles (FPC) avec un faible espacement axial lorsque les solutions fil-à-carte sont peu pratiques, ou des connecteurs USB Type-C® qui fournissent des connexions compactes, haute vitesse et faciles à utiliser.

Cet article passe brièvement en revue les besoins d'interconnexion des dispositifs de surveillance des patients, et examine les connexions à l'intérieur des dispositifs, et entre les dispositifs et le monde extérieur. Il présente ensuite des exemples de connecteurs FFC, FPC et USB Type-C de Molex, en identifiant les caractéristiques et avantages clés ainsi que leur application correcte.

Besoins d'interconnexions carte-à-carte

Les FFC combinés à des FPC peuvent répondre aux besoins des concepteurs en matière de systèmes d'interconnexion carte-à-carte haute densité et haute vitesse pour les dispositifs de surveillance des patients. Certains de ces connecteurs peuvent être utilisés dans des opérations d'assemblage manuel ou robotique, et se caractérisent par un couplage en une seule étape avec un mécanisme de verrouillage automatique (Figure 1).

Figure 1 : Les FFC et les FPC peuvent être utilisés dans des opérations d'assemblage manuel ou robotique et se caractérisent par un couplage en une seule étape avec un mécanisme de verrouillage automatique. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les connecteurs FFC carte-à-carte peuvent être utilisés pour prendre en charge des débits de données jusqu'à 40 gigahertz (GHz) et peuvent fournir jusqu'à 80 connexions dans plusieurs orientations à faible hauteur, y compris verticales et à angle droit, pour offrir des options de conception flexibles. Les pas de connexion peuvent être inférieurs à 1 millimètre (mm) afin de prendre en charge des conceptions en boîtiers étroits. Des modèles à force d'insertion nulle (ZIF) et non ZIF sont disponibles pour répondre aux besoins d'applications spécifiques.

Certains FFC sont spécifiés pour des températures jusqu'à 150 degrés Celsius (°C), et sont conçus pour être utilisés avec une variété d'options de câblage, notamment des câbles FFC génériques, des câbles FFC à verrouillage ou des câbles FFC personnalisés. Ces connecteurs peuvent souvent accepter des FFC standard ou blindés, et les bornes de mise à la terre répondent aux besoins des protocoles haut débit tels que la signalisation différentielle à basse tension (LVDS). Pour des performances optimales, les câbles blindés doivent être utilisés avec des connecteurs dotés de bornes mises à la terre.

Connecter les moniteurs des patients au monde extérieur

Le suivi des patients est crucial pour permettre aux soignants de comprendre comment l'organisme réagit aux thérapies visant à atténuer ou à réparer les effets d'une maladie ou d'une autre affection physique. Cela nécessite souvent de transmettre les données surveillées à un équipement extérieur au dispositif de surveillance.

Les connecteurs USB Type-C peuvent constituer un excellent choix pour connecter les dispositifs de surveillance des patients à des équipements externes tels que des moniteurs HDMI et des systèmes de stockage de données. Ces connecteurs présentent un brochage symétrique et réversible qui simplifie l'utilisation et favorise la flexibilité car ils peuvent être connectés dans les deux sens (Figure 2).

Figure 2 : les connecteurs USB Type-C présentent un brochage symétrique et réversible qui simplifie l'utilisation et favorise la flexibilité. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les connecteurs USB Type-C sont requis pour l'implémentation des derniers protocoles USB4. L'USB4 est basé sur l'interface Thunderbolt 3, permet la tunnellisation des données DisplayPort et PCI Express (PCIe), et prend en charge un débit de données nominal de 20 gigabits par seconde (Gbps) pouvant être étendu jusqu'à 40 Gbps. L'USB4 permet à plusieurs types de dispositifs d'extrémité de partager dynamiquement une seule liaison haut débit, optimisant le transfert de données selon le type et l'application. Par conséquent, lorsque la tunnellisation est utilisée, le débit nominal de 20 Gbps peut se traduire par un débit effectif plus élevé lors de l'envoi de données mixtes, par rapport à l'USB 3.2.

Le protocole USB Power Delivery (PD) fournit jusqu'à 20 volts (V), 5 ampères (A) et 100 watts (W) pour la charge et d'autres utilisations, notamment des capacités de transfert de données étendues. L'USB Type-C PD peut réduire le temps de charge de la batterie de 40 % à 64 %, par rapport à la capacité de charge de 1,8 A du Micro USB 2.0. Les capacités intelligentes et flexibles de gestion de l'alimentation niveau système de l'USB PD prennent en charge l'alimentation bidirectionnelle qui peut changer de direction en temps réel et permettre la prise en charge du Type-C pour d'autres normes telles que DisplayPort, HDMI ou PCIe.

Le changement rapide des rôles (FRS, Fast Role Swap) est une amélioration de la dernière version de la spécification USB Type-C PD. Les concepteurs peuvent utiliser le FRS pour réduire le risque de perte de données et préserver l'intégrité des signaux des périphériques USB, tels que les dispositifs de surveillance des patients, en cas de retrait inattendu d'un câble d'alimentation d'un concentrateur ou d'une station d'accueil. Le FRS est mis en œuvre en moins de 150 microsecondes (µs), ce qui permet à la batterie de devenir la source et à l'autre dispositif de devenir le récepteur, maintenant ainsi un fonctionnement ininterrompu. La communication des données se poursuit dans une seule direction sans interruption, ce qui permet de préserver le fonctionnement du système et d'éviter les interférences, même si la direction de l'alimentation est inversée.

Une autre amélioration des performances USB PD sous USB4 est la capacité d'alimentation programmable (PPS). L'alimentation programmable permet de modifier la tension et le courant par petites étapes. Si un récepteur d'alimentation est connecté à une source d'énergie capable de fournir une alimentation programmable, il peut demander des changements dans l'alimentation fournie par la source. L'alimentation programmable peut permettre la charge rapide des batteries lithium-ion et améliorer le rendement énergétique global du système, ce qui réduit la charge thermique et permet des densités de conditionnement plus élevées.

Connecteur carte-à-carte pour les dispositifs de surveillance médicale

Comme indiqué plus haut, les FFC combinés aux FPC peuvent répondre aux besoins des concepteurs de dispositifs de surveillance des patients en matière de systèmes d'interconnexion carte-à-carte haute densité et haute vitesse, capables de supporter un assemblage manuel ou robotique. Le modèle 0541324062 de la gamme de connecteurs Easy-On FFC/FPC de Molex est un bon exemple. Le connecteur a 40 positions avec placage or sur un pas de 0,50 mm (Figure 3).

Figure 3 : Le connecteur Easy-On FFC/FPC modèle 0541324062 de Molex comporte 40 positions avec placage or sur un pas de 0,50 mm. (Source de l'image : Molex)

Le modèle 0541324062 prend en charge des débits de données jusqu'à 10 Gbps. L'insertion complète du câble et le raccordement sécurisé sont assurés par le verrouillage à inertie positive. La résistance aux chocs et aux vibrations est garantie par la force de rétention du câble de 20 Newton (N). Des pattes de soudure robustes fournissent la rétention de la carte à circuit imprimé et la réduction de tension.

Utilisé avec le connecteur Easy-On FFC/FPC modèle 541324062, le modèle 0151660431 de la ligne de cavaliers Premo-Flex FFC de Molex correspond aux 40 positions et au pas de 0,50 mm du connecteur et a une longueur de 102,00 mm (Figure 4). Ce système d'interconnexion carte-à-carte peut aider les concepteurs à relever les défis dans les applications à espace restreint ou difficiles d'accès.

Figure 4 : Le cavalier Premo-Flex FFC à pas de 0,50 mm 0151660431 de Molex offre 40 positions et mesure 102,00 mm de long. (Source de l'image : Molex)

Molex propose les cavaliers Premo-Flex dans une variété de longueurs de câbles, de tailles de circuits, de pas et d'épaisseurs. Répertoriés à 105°C, ces câbles durables et ultra-flexibles ont une durée de vie de flexion de 900 000 cycles, contre 6000 cycles pour les cavaliers standard.

Notez que lorsque vous connectez ou déconnectez un cavalier FFC d'un connecteur Easy-On FFC/FPC, il est important de s'assurer que toutes les connexions sont hors tension afin d'éviter les étincelles susceptibles d'endommager les contacts. De plus, lors de l'ouverture ou de la fermeture de l'actionneur de verrouillage, la force doit être appliquée sur les deux côtés de l'actionneur. En appliquant une force sur un seul côté, vous risquez d'endommager le connecteur. Enfin, lorsque vous insérez le câble flexible dans le connecteur, aucune tension ou force de traction ne doit être appliquée au câble. Sinon, l'actionneur peut ne pas se verrouiller correctement, le câble peut être endommagé ou les traces peuvent être sectionnées.

Connexions externes haute vitesse

Des connecteurs tels que le 1054500101 de la ligne USB Type-C de Molex peuvent prendre en charge les transferts de données de surveillance des patients sans interférences ainsi qu'une haute intégrité des signaux tout en alimentant les dispositifs (Figure 5). Molex utilise trois procédés de moulage d'insert dans ses connecteurs USB Type-C pour faire de la languette de raccordement une seule pièce et minimiser les infiltrations d'eau. Le risque de soulèvement ou de déformation des bornes est minimisé grâce à trois procédés de moulage d'insert supplémentaires, qui permettent d'accroître la durabilité mécanique et la fiabilité électrique. Ces connecteurs constituent une solution durable, répertoriée pour 10 000 cycles de couplage et découplage, et qui résiste au raccordement incorrect et à d'autres mauvais traitements.

Figure 5 : Les connecteurs USB Type-C tels que le 1054500101 peuvent prendre en charge les transferts de données sans interférences et alimenter les dispositifs de surveillance médicale. (Source de l'image : Molex)

Ces connecteurs hautes performances présentent les caractéristiques suivantes :

• Débits de données jusqu'à 40 Gbps pour prendre en charge les applications réseau haut débit
• Prise en charge des écrans haute qualité à résolution 4K
• Blindage pour assurer une protection EMI/RFI
• Prévention des courts-circuits électriques pendant le raccordement grâce à l'utilisation de mylar entre le logement et le capot
• Performances électriques stables pour supporter une tenue en courant plus élevée et des augmentations de température minimales

La tenue en puissance accrue et l'espacement très étroit des broches des connecteurs USB Type-C impliquent que les concepteurs doivent être conscients des risques potentiels de sécurité et d'incendie en cas d'emballement thermique. En conditions normales, les règles d'alimentation USB PD garantissent un fonctionnement sûr. Toutefois, les dommages causés à un connecteur ou un câble peuvent entraîner un fonctionnement en dehors de l'aire de sécurité. Des dispositifs de protection contre la surintensité et la surchauffe sont souvent inclus dans les conceptions de câbles et de connecteurs USB Type-C afin de réduire le potentiel d'emballement thermique.

Les paires différentielles de transmission SuperSpeed des câbles USB Type-C ont une impédance différentielle de 90 ohms (Ω). Les conceptions utilisant un mode alternatif doivent également être capables de supporter 90 Ω.

Conclusion

Les besoins en matière de surveillance des patients augmentant, les concepteurs de tels systèmes ont besoin de connecteurs et de câbles d'interconnexion et de cavaliers associés qui peuvent transmettre de manière fiable plusieurs types de données à haut débit, ainsi que des signaux d'alimentation et de commande, à la fois vers et depuis le patient. Les connexions doivent souvent être réalisées dans des conditions d'espace restreint, à un coût minimal, tout en garantissant une facilité d'utilisation et un impact minimal sur le confort du patient.

Comme illustré, les FFC, les FPC et les connecteurs USB Type-C ont été développés pour relever ces défis grâce à un assemblage efficace, une haute intégrité des signaux et une plus grande facilité d'utilisation. En utilisant la bonne combinaison de ces connecteurs et interconnexions, les concepteurs peuvent répondre aux complexités inhérentes à la surveillance des patients, des performances électriques à la qualité des soins.

Lecture recommandée

1. La fiabilité est un facteur décisif dans les applications médicales basées sur des capteurs