Utilizzare interconnessioni dense e flessibili per progettare dispositivi di monitoraggio dei pazienti compatti e ad alte prestazioni

Il monitoraggio dei pazienti affetti da malattie croniche e altre condizioni è in rapida espansione e può essere cruciale per accelerare la guarigione, evitare complicazioni e mantenere una salute ottimale. I tipici sistemi di interconnessione dei dispositivi di monitoraggio dei pazienti trasportano i dati (a volte anche immagini ad alta risoluzione), l'alimentazione e i segnali di controllo all'interno, da e verso il dispositivo. I progettisti di questi sistemi devono far fronte a numerose sfide, spesso contrastanti, tra cui fattori di forma più compatti, un maggior numero di funzionalità e velocità dati più elevate che richiedono un'elevata integrità del segnale (SI) e trasferimenti di dati continui.

Allo stesso tempo, i dispositivi devono essere comodi per i pazienti e facili da usare sia per gli operatori sanitari che per i pazienti (se del caso) nonostante la complessità intrinseca dei monitor e la natura critica delle loro funzioni. Usare un connettore o un'interconnessione ingombrante, inappropriato o mal progettato può minare questi obiettivi e far lievitare i costi.

Per rispondere alle esigenze di queste applicazioni, i progettisti hanno a disposizione una serie di connettori e interconnessioni sempre più raffinati. Ad esempio, a seconda delle esigenze dell'applicazione specifica, i progettisti possono scegliere connettori flessibili piatti (FFC) ad alta densità per l'assemblaggio automatico a basso costo, cavi stampati flessibili (FPC) con un minimo interasse dove le soluzioni filo-scheda non sono pratiche oppure connettori USB Type-C® che forniscono connessioni compatte, facili da usare e ad alta velocità.

Questo articolo esamina brevemente le esigenze di interconnessione dei dispositivi di monitoraggio dei pazienti, guardando alle connessioni all'interno dei dispositivi e tra i dispositivi e il mondo esterno. Presenterà quindi esempi di connettori FFC, FPC e USB Type-C di Molex, identificando le caratteristiche e i vantaggi principali e la loro corretta applicazione.

Esigenze di interconnessione scheda-scheda

Gli FFC combinati agli FPC possono supportare i requisiti dei progettisti di sistemi di interconnessione scheda-scheda ad alta densità e ad alta velocità per i dispositivi di monitoraggio dei pazienti. Alcuni di questi connettori possono essere usati in operazioni di assemblaggio sia manuali che robotiche e sono caratterizzati da un accoppiamento a passo singolo con un meccanismo autobloccante (Figura 1).

Figura 1: Gli FFC e FPC possono essere usati in operazioni di assemblaggio manuali e robotiche e sono caratterizzati da un accoppiamento a passo singolo con un meccanismo autobloccante. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

I connettori FFC scheda-scheda possono essere utilizzati per supportare velocità dati fino a 40 GHz e possono fornire fino a 80 connessioni in diversi orientamenti a profilo ribassato, compresi angolo retto e in verticale per opzioni di progettazione flessibili. I passi possono essere inferiori a un millimetro per supportare il confezionamento in spazi angusti. Sono disponibili modelli con forza di inserimento nulla (ZIF) e non ZIF per soddisfare le esigenze di applicazioni specifiche.

Alcuni FFC sono specificati per temperature fino a 150 °C e sono progettati per l'uso con una varietà di opzioni di cablaggio tra cui cavi FFC generici, cavi FFC bloccanti o cavi FFC personalizzati. Questi connettori possono spesso accettare FFC standard o schermati e i terminali di messa a terra supportano le esigenze dei protocolli ad alta velocità come la segnalazione differenziale a bassa tensione (LVDS). Per le massime prestazioni, i cavi schermati dovrebbero essere usati con connettori muniti di terminali a terra.

Collegare i monitor dei pazienti al mondo esterno

Il monitoraggio dei pazienti è cruciale per permettere agli operatori sanitari di capire come il corpo stia rispondendo alle terapie, per mitigare o eliminare gli effetti di una malattia o di un altro disturbo fisico. Questo spesso richiede che i dati monitorati vengano trasmessi ad apparecchiature esterne al dispositivo di monitoraggio.

I connettori USB Type-C possono essere un'ottima scelta per collegare i dispositivi di monitoraggio dei pazienti ad apparecchiature esterne come monitor HDMI e sistemi di archiviazione dati. Questi connettori hanno una piedinatura simmetrica e reversibile che supporta la facilità d'uso e la flessibilità, dato che possono essere collegati in entrambi gli orientamenti (Figura 2).

Figura 2: I connettori USB Type-C hanno una piedinatura simmetrica e reversibile che supporta la facilità d'uso e la flessibilità. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

I connettori USB Type-C sono necessari per implementare i più recenti protocolli USB4. USB4 si basa sull'interfaccia Thunderbolt 3, permette il tunneling dei dati DisplayPort e PCI Express (PCIe) e supporta una velocità nominale di 20 Gbps che può essere estesa fino a 40 Gbps. USB4 supporta più tipi di dispositivi finali che possono condividere dinamicamente un'unica connessione ad alta velocità e che ottimizza il trasferimento dati per tipo e applicazione. Di conseguenza, quando viene impiegato il tunneling, la velocità nominale di 20 Gbps può risultare in un throughput effettivo più elevato quando si inviano dati misti, rispetto a USB 3.2.

Il protocollo USB Power Delivery (PD) fornisce fino a 20 V, 5 A e 100 W per la ricarica e altri usi, comprese le capacità di trasferimento dati estese. USB Type-C PD può ridurre il tempo di ricarica della batteria dal 40% al 64%, rispetto alla capacità di ricarica di 1,8 A di Micro USB 2.0. Le capacità di USB PD gestione dell'alimentazione intelligente e flessibile a livello di sistema supportano l'alimentazione bidirezionale che può cambiare direzione in tempo reale e rende possibile il supporto Type-C per altri standard come DisplayPort, HDMI o PCIe.

Fast Role Swap (FRS) è un miglioramento nell'ultima versione della specifica USB Type-C PD. I progettisti possono usare FRS per ridurre il rischio di perdita di dati e preservare l'integrità del segnale nelle periferiche USB, come i dispositivi di monitoraggio dei pazienti, in caso di rimozione inaspettata di un cavo di alimentazione da un hub o dock. FRS è implementato entro 150 µs, il che permette alla batteria di diventare il source e all'altro dispositivo di diventare il drain, mantenendo un funzionamento ininterrotto. La comunicazione di dati continua in una sola direzione senza interruzione, preservando il funzionamento del sistema ed evitando glitch, anche se la direzione di alimentazione si inverte.

Un altro miglioramento delle prestazioni di USB PD in USB4 è la capacità di alimentazione programmabile (PPS). PPS accetta piccoli cambiamenti nella tensione e nella corrente. Se un dispositivo che assorbe corrente è collegato a una fonte di alimentazione con capacità PPS, può richiedere cambiamenti alla potenza fornita dalla fonte. PPS può consentire una ricarica veloce delle batterie agli ioni di litio e migliorare l'efficienza energetica complessiva del sistema, il che riduce il carico termico e supporta densità di confezionamento maggiori.

Connettore scheda-scheda per dispositivi di monitoraggio medicale

Come notato sopra, gli FFC combinati con gli FPC possono supportare la necessità da parte dei progettisti di dispositivi di monitoraggio dei pazienti in fatto di sistemi di interconnessione scheda-scheda ad alta densità e ad alta velocità adatti per l'assemblaggio manuale o robotico. Il modello 0541324062 della linea di connettori Easy-On FFC/FPC di Molex è un buon esempio. Il connettore ha 40 posizioni con doratura su un passo di 0,50 mm (Figura 3).

Figura 3: Il connettore FFC/FPC modello 0541324062 Easy-On di Molex presenta 40 posizioni con doratura su un passo di 0,50 mm. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Il modello 0541324062 supporta velocità dati fino a 10 ksps. L'inserimento completo del cavo e l'accoppiamento sicuro sono implementati dal blocco per inerzia positiva. La resistenza a urti e vibrazioni è assicurata dalla forza di ritegno del cavo di 20 N. Le robuste linguette di saldatura assicurano la ritenzione della scheda a circuiti stampati e lo scarico della trazione.

Usato insieme al connettore FFC/FPC modello 541324062 Easy-On, il modello 0151660431 della linea di ponticelli FFC Premo-Flex di Molex corrisponde alle 40 posizioni e al passo di 0,50 mm del connettore e ha una lunghezza di 102,00 mm (Figura 4). Questo sistema di interconnessione scheda-scheda può aiutare i progettisti a risolvere le sfide in applicazioni con limitazioni di spazio o in punti difficilmente raggiungibili.

Figura 4: Il ponticello FFC 0151660431 Premo-Flex con passo di 0,50 mm di Molex ha 40 posizioni ed è lungo 102,00 mm. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Molex offre ponticelli Premo-Flex in svariate lunghezze di cavi, dimensioni del circuito, passi e spessori. Con una temperatura nominale di 105 °C, questi cavi durevoli e ultraflessibili hanno una durata alla flessione di 900.000 cicli, rispetto ai 6.000 cicli dei ponticelli standard.

Si noti che quando si collega o scollega un ponticello FFC da un connettore FFC/FPC Easy-On, è importante verificare che sia stato rimosso il potenziale da tutti i collegamenti per evitare scintille che possono danneggiare i contatti. Inoltre, quando si apre o si chiude l'attuatore di bloccaggio, la forza deve essere applicata su entrambi i lati. Applicando la forza su un solo lato si potrebbe danneggiare il connettore. Infine, quando si inserisce il cavo flessibile nel connettore, la forza di trazione o la tensione sul cavo dovrebbe essere nulla. In caso contrario, l'attuatore potrebbe non bloccarsi correttamente, il cavo e le tracce potrebbero danneggiarsi.

Connessioni esterne ad alta velocità

Connettori come 1054500101 della linea USB Type-C di Molex possono supportare trasferimenti di dati per il monitoraggio dei pazienti senza glitch e ad alta integrità del segnale mentre forniscono l'alimentazione ai dispositivi (Figura 5). Molex utilizza tre processi di stampaggio per gli inserti nei connettori USB Type-C, per rendere la linguetta di accoppiamento un componente unico e ridurre al minimo le infiltrazioni di acqua. Il rischio che i terminali di distacchino o si pieghino è ridotto al minimo da tre processi aggiuntivi di stampaggio degli inserti che risultano in una maggiore durata meccanica e una maggiore affidabilità elettrica. Questi connettori forniscono una soluzione durevole di 10.000 cicli di accoppiamento e disaccoppiamento, capace di resistere a tentativi di accoppiamento impropri e altri abusi.

Figura 5: I connettori USB Type-C come 1054500101 possono supportare trasferimenti di dati senza glitch e fornire alimentazione ai dispositivi di monitoraggio medicale. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Questi connettori ad alte prestazioni presentano:

• Fino a 40 Gbps di velocità dati per supportare applicazioni di rete ad alta velocità
• Supporto di display di alta qualità con risoluzione 4K
• Schermatura per la protezione EMI/RFI
• Prevenzione di cortocircuiti elettrici durante l'accoppiamento grazie all'uso di una spina in mylar tra l'alloggiamento e il guscio
• Prestazioni elettriche stabili per supportare una maggiore capacità di corrente e aumenti minimi di temperatura

La maggiore capacità di potenza e il passo denso nei connettori USB Type-C significa che i progettisti devono essere consapevoli dei potenziali rischi di sicurezza e di incendio in caso di fuga termica. In condizioni normali, le regole di alimentazione USB PD garantiscono un funzionamento sicuro. Tuttavia, il danneggiamento di un connettore o di un cavo può portare al funzionamento al di fuori dell'area di sicurezza. I dispositivi di protezione da sovracorrente e sovratemperatura sono spesso inclusi nei progetti di connettori e cavi USB Type-C per ridurre il potenziale di fuga termica.

Le coppie differenziali di trasmissione SuperSpeed nei cavi USB Type-C hanno un'impedenza differenziale di 90 Ω. I progetti che utilizzano una modalità alternativa devono anche essere in grado di gestire 90 Ω.

Conclusione

Con l'aumento della necessità di monitoraggio dei pazienti, i progettisti hanno bisogno di connettori e relativi cablaggi di interconnessione e ponticelli che possano trasportare in modo affidabile più tipi di dati ad alta velocità, così come l'alimentazione e i segnali di controllo, sia da e verso il paziente. Le connessioni devono spesso essere realizzate in condizioni di spazio ristretto a costi minimi, assicurando anche la facilità d'uso e con un impatto minimo sul comfort del paziente.

Come mostrato, i connettori FFC, FPC e USB Type-C sono emersi per affrontare queste sfide attraverso un assemblaggio efficiente, un'alta integrità del segnale e una maggiore facilità d'uso. Utilizzando la giusta combinazione di questi connettori e interconnessioni, i progettisti possono affrontare le complessità inerenti al monitoraggio dei pazienti, dalle prestazioni elettriche alla qualità delle cure.

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