Board-to-board-stik inden for medicoteknik
De rigtige kontakter inden for medicoteknik
Inden for medicoteknik vil netværksforbundne MedTech-enheder med stadig flere smarte sensorer dominere billedet. De strengeste regler og den højeste fejlsikkerhed angiver den retning, som de anvendte produkter og komponenter skal følge. Miniaturisering, datahastighed og elektromagnetisk stråling er de specifikke krav, som Board-to-Board-stik er underlagt. For hardwareudvikleren er dette kriterier, der i høj grad præger enhedens design.
I dag er patienterne stadig nødt til at tilpasse sig sundhedssystemets strukturer. Allerede i morgen – og Deloittes prognoser gælder for 2025 – vil sundhedsplejen i stedet være tilpasset patienterne, deres opholdssted og deres tidsmæssige rammer. Overgangen til denne »4P-medicin« (predictive, preventative, personalized, participatory) fremmes af mange digitale innovationer.
Dette paradigmeskifte vil vise sig hos producenterne af medicinsk udstyr. Antallet af smarte sensorer stiger i takt med, at produkterne bliver forbundet i Internet of Medical Things (IoMT). Komforten i patientplejen øges, for eksempel gennem trådløse forbindelser til den elektroniske patientjournal samt overførsel og overvågning af vitale parametre i realtid. Med dataanalyse, kognitive metoder og robotik opstår der yderligere potentialeområder inden for sundhedssektoren.
Dette paradigmeskifte vil vise sig hos producenterne af medicinsk udstyr. Antallet af smarte sensorer stiger i takt med, at produkterne bliver forbundet i Internet of Medical Things (IoMT). Komforten i patientplejen øges, for eksempel gennem trådløse forbindelser til den elektroniske patientjournal samt overførsel og overvågning af vitale parametre i realtid. Med dataanalyse, kognitive metoder og robotik opstår der yderligere potentialeområder inden for sundhedssektoren.
Højhastighed og EMC i fokus for medicoteknik
Medicinske billeddannelsessystemer som CT-scannere, MR-apparater og digitale røntgenapparater behandler op til 20 Gbit/s billed- og patientdata i realtid. Det samme gælder inden for telemedicin og fjernovervågning. Ligeledes kræves der inden for kirurgisk robotik realtidsoverførsel af billeder og styrekommandoer mellem kirurgens konsol og robotsystemet. Højopløsningsendoskopi samt implanterbare enheder og patientovervågningssystemer er yderligere områder, der er afhængige af dataoverførsel, men som også lægger vægt på EMC-designaspekter med henblik på immunitet og patientsikkerhed.
Yderligere tendenser, såsom stigningen i multisensorik og stadig mere sammenkoblede samlede systemer, kræver hurtig, pålidelig og sikker dataoverførsel via forskellige grænseflader – et faktum, der især gælder for medicotekniske enheder. Her spiller signalintegritet (signalintegritet) en afgørende rolle, hvor højpræcise og pålidelige data er fremherskende i applikationerne. Konstante strømme og nøjagtige data er uundværlige for at sikre udstyrets funktionssikkerhed, pålidelighed og effektivitet. Høje bithastigheder, til tider over store afstande, kan ved forstyrrelser som støj, (tilbageslags-)tilbagemeldingstab samt forvrængninger og krydstale påvirke de elektriske signaler så kraftigt, at der opstår fejl, og udstyret svigter.
Yderligere tendenser, såsom stigningen i multisensorik og stadig mere sammenkoblede samlede systemer, kræver hurtig, pålidelig og sikker dataoverførsel via forskellige grænseflader – et faktum, der især gælder for medicotekniske enheder. Her spiller signalintegritet (signalintegritet) en afgørende rolle, hvor højpræcise og pålidelige data er fremherskende i applikationerne. Konstante strømme og nøjagtige data er uundværlige for at sikre udstyrets funktionssikkerhed, pålidelighed og effektivitet. Høje bithastigheder, til tider over store afstande, kan ved forstyrrelser som støj, (tilbageslags-)tilbagemeldingstab samt forvrængninger og krydstale påvirke de elektriske signaler så kraftigt, at der opstår fejl, og udstyret svigter.
Overholdelse af gældende industristandarder
Inden for rammerne af lovgivningsmæssige krav som Medical Device Regulation (MDR) i Den Europæiske Union eller Food and Drug Administration (FDA)-bestemmelserne i USA gælder det om at sikre godkendelsen og den sikre anvendelse af udstyret. En tendens blandt alle hardware-designere er desuden kravet om at udnytte det stadigt mindre monteringsrum i medicinsk udstyr endnu mere effektivt, hvorved belastningerne på udstyret i form af stød, vibrationer og svingninger samt termiske og kemiske miljøpåvirkninger fortsat stiller krav til robustheden af alt udstyr.
Derudover findes der tre målrettede, anvendelsesspecifikke industristandarder for medtech-udstyr, som skal tages i betragtning ved alle design. For det første ISO 80369-1, der omhandler designmetodikken til at reducere risikoen for forkert tilslutning af medicinsk udstyr eller tilbehør. For det andet IEC 60601, der beskriver de generelle krav til grundlæggende sikkerhed og væsentlige ydeevneegenskaber, herunder elektromagnetisk interferens (EMI) og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Og for det tredje ISO 13485, der vedrører kvalitetssystemer, som er ansvarlige for sporbarheden af de komponenter og processer, der anvendes i produktionsprocessen.
Derudover findes der tre målrettede, anvendelsesspecifikke industristandarder for medtech-udstyr, som skal tages i betragtning ved alle design. For det første ISO 80369-1, der omhandler designmetodikken til at reducere risikoen for forkert tilslutning af medicinsk udstyr eller tilbehør. For det andet IEC 60601, der beskriver de generelle krav til grundlæggende sikkerhed og væsentlige ydeevneegenskaber, herunder elektromagnetisk interferens (EMI) og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Og for det tredje ISO 13485, der vedrører kvalitetssystemer, som er ansvarlige for sporbarheden af de komponenter og processer, der anvendes i produktionsprocessen.
Board-to-board-stik som signaloverførere
Når kompleksiteten og integrationsdensiteten i medicinsk udstyr stiger stadig mere, og eksisterende og nye funktioner skal integreres på meget begrænset plads, er kravene til board-to-board-stik, der fungerer som bro mellem printpladerne, uhyre høje. De mest forskelligartede anvendelsessteder og -områder udsætter udstyret for vibrationer og rystelser. stik skal sikre langvarig kontaktsikkerhed ved mikrobevægelser. Robusthed, dataoverførsel og EMC-afskærmning er for hardwareudvikleren de tre hjørnesten i det mekaniske udstyrsdesign.
Den nyeste generation af stik skal minimere forstyrrelser i signaloverførslen, og stikkets kontaktdesign skal være perfekt tilpasset hertil. Derfor er målet altid at undgå risici i dataoverførslen, som hovedsageligt omfatter impedansudsving på grund af ændringer i materiale og geometri samt dæmpning som følge af indsætningstab (Insertion Loss) og returtab (Return Loss) samt krydstale.
Den nyeste generation af stik skal minimere forstyrrelser i signaloverførslen, og stikkets kontaktdesign skal være perfekt tilpasset hertil. Derfor er målet altid at undgå risici i dataoverførslen, som hovedsageligt omfatter impedansudsving på grund af ændringer i materiale og geometri samt dæmpning som følge af indsætningstab (Insertion Loss) og returtab (Return Loss) samt krydstale.
Signalbeskyttelse som grundlag
Hvad angår elektromagnetiske påvirkninger, kræver højhastighedssignaler en særlig signalbeskyttelse. En stikforbindelse (stik) kan i denne sammenhæng fungere både som støjkilde og som dræn. Her anbefales signalbeskyttelse ved hjælp af afskærmningsplade (afskærmningsplade) for at beskytte de følsomme signaler mod eksterne påvirkninger. At selv en lille elektrisk impuls kan forvrænge brugsignalet, fremgår af billedet nedenfor.
Modtageren kan ikke længere entydigt fortolke HDMI-signalets digitale tilstande allerede efter en kort burst-impuls på 0,5 kV, hvorimod signaloverførslen via det afskærmede stik forbliver stabil selv ved 4,4 kV.
Koblingsinduktiviteten LK beskriver stik ud fra de elektriske forhold i begge funktioner – kilde og dræn. Dette gælder både for immunitet og for elektromagnetisk emission. Hvis den inducerede spænding (Uind), generatorens spænding (UGen) samt generatorkonstanten (kGen) er kendt, kan den specifikke maksimalt tilladte koblingsinduktivitet (LK) bestemmes ved hjælp af denne ligning:
LK = Uind / (UGen * kGen) (ligning 1)
gensidig induktans hjælper desuden brugeren med at vælge den rette stik med hensyn til elektromagnetisk kompatibilitet og dermed undgå kostbare og tidskrævende trial-and-error-test i EMC-Laboret. Her er et eksempel: For et HDMI-signal blev der ved en spænding på 4,4 kV fastslået en tilfældespecifik maksimal gensidig induktans på 47 pH. Ligger værdien højere, overføres signalet derfor ikke længere uden forstyrrelser.
Koblingsinduktiviteten LK beskriver stik ud fra de elektriske forhold i begge funktioner – kilde og dræn. Dette gælder både for immunitet og for elektromagnetisk emission. Hvis den inducerede spænding (Uind), generatorens spænding (UGen) samt generatorkonstanten (kGen) er kendt, kan den specifikke maksimalt tilladte koblingsinduktivitet (LK) bestemmes ved hjælp af denne ligning:
LK = Uind / (UGen * kGen) (ligning 1)
gensidig induktans hjælper desuden brugeren med at vælge den rette stik med hensyn til elektromagnetisk kompatibilitet og dermed undgå kostbare og tidskrævende trial-and-error-test i EMC-Laboret. Her er et eksempel: For et HDMI-signal blev der ved en spænding på 4,4 kV fastslået en tilfældespecifik maksimal gensidig induktans på 47 pH. Ligger værdien højere, overføres signalet derfor ikke længere uden forstyrrelser.
Specielt til krævende industrielle anvendelser
Produktfamilien Zero8 fra ept er udviklet til disse høje krav inden for medicinmedicoteknik og tilbyder med sin høje skalerbarhed en ideel tilpasning til individuelle behov – typer, stabelhøjde (stakhøjde) og antal polanter kan vælges individuelt. Sokler og stikforbindelser (stik) findes i øjeblikket i udformningerne mid-profile og low-profile og vil fremover også være tilgængelige som high-profile og i vinklede versioner. Takket være de forskellige byggehøjdevarianter kan der med Zero8-stik realiseres printkortafstande fra 6,00 mm til 21,00 mm, hvor polantalet varierer mellem 12 og 80. Med henblik på afskærmning kan begge sider af stikparret udstyres med afskærmning, og alle Zero8-stik er naturligvis indstikskompatible indbyrdes og kan kombineres frit.
Den dobbeltsidede tilslutningsteknologi ScaleX kan modstå de barske forhold i industrielle anvendelser og sikrer en pålidelig kontakt ved mekanisk belastning såsom stød og vibrationer. Desuden kompenserer den for enhedssidige tolerancer i alle retninger, når stikket er tilsluttet. Takket være EMC-afskærmning beskyttes signalerne i industrielle miljøer mod ydre påvirkninger, og materialets egenskaber garanterer en datahastighed på op til 16 Gbit/s.
Mere information om Zero8 »
Den dobbeltsidede tilslutningsteknologi ScaleX kan modstå de barske forhold i industrielle anvendelser og sikrer en pålidelig kontakt ved mekanisk belastning såsom stød og vibrationer. Desuden kompenserer den for enhedssidige tolerancer i alle retninger, når stikket er tilsluttet. Takket være EMC-afskærmning beskyttes signalerne i industrielle miljøer mod ydre påvirkninger, og materialets egenskaber garanterer en datahastighed på op til 16 Gbit/s.
Mere information om Zero8 »
Man skal ikke undervurdere vigtigheden af at vælge den rigtige stik til en højhastighedsanvendelse. Som beskrevet her er der især inden for medicoteknikken mange krav, der skal opfyldes samtidigt. Hvilke mekaniske eller elektriske egenskaber board-to-board-stik skal opfylde, eller hvordan stikkets tilslutningsperiferi er udformet – det er alt sammen finurlige detaljer, der kan være afgørende for valget fra pin til pin.
Er du interesseret?
Så vælg straks din stik fra en europæisk producent:
Produktliste
Har du spørgsmål?
Så kontakt os venligst!
Forespørgsel via formularen
+49 (0) 8861 2501 0
sales@ept.de
Så kontakt os venligst!
Forespørgsel via formularen
+49 (0) 8861 2501 0
sales@ept.de