Suunnittele pienikokoisia, tehokkaita potilasmonitorointilaitteita tiheillä ja joustavilla kytkennöillä

Moniin kroonisiin sairauksiin liittyvän potilasmonitoroinnin tarve on laajentumassa nopeasti. Monitorointi voi olla paranemisen nopeuttamisen, komplikaatioiden välttämisen ja ihanteellisen terveydentilan säilyttämisen kannalta ratkaisevan tärkeää. Tyypillisten potilasmonitorointilaitteiden kytkentöjen kautta kulkee dataa (joskus jopa suuriresoluutioisia kuvia), sähköä ja ohjaussignaaleja paitsi laitteen sisällä myös laitteeseen ja siitä takaisin. Tällaisten järjestelmien suunnittelussa on otettava huomioon lukuisia ja usein keskenään ristiriitaisia haasteita, kuten pieni koko, kattavat ominaisuudet ja nopeampi datansiirto, jotka edellyttävät korkeaa signaalin eheyttä (SI) ja sujuvaa datansiirtoa.

Laitteiden täytyy kuitenkin olla myös potilaalle mukavia, ja sekä terveydenhuollon ammattilaisten että potilaiden (tilanteen mukaan) täytyy pystyä käyttämään niitä helposti, vaikka monitorointilaitteet ovat monimutkaisia ja niiden toiminnot kriittisen tärkeitä. Suurikokoinen, sopimaton tai huonosti suunniteltu liitin tai kytkentä voi vaarantaa nämä tavoitteet ja aiheuttaa tarpeettomia kustannuksia.

Suunnittelijoiden käytettävissä on yhä enemmän näiden sovellusten vaatimukset täyttäviä kehittyneitä liittimiä ja kytkentöjä. Suunnittelijat voivat esimerkiksi valita sovelluksen vaatimusten mukaan joko litteän, joustavan (FFC), tiheydeltään korkean liittimen, joka toimii edullisessa automatisoidussa kokoonpanossa, joustavan painetun kaapelin (FPC), jonka pieni keskilinjaetäisyys soveltuu ratkaisuihin, joissa johdosta-levyyn-sovellukset eivät ole järkeviä, tai pienkokoisen, helppokäyttöisen ja nopean kytkennän USB Type-C® ‑liittimellä.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti potilasmonitorointilaitteiden kytkentätarpeita sekä laitteiden sisäisten että laitteen ja ulkomaailman välisten kytkentöjen osalta. Sen jälkeen artikkelissa esitellään esimerkkejä Molex-yrityksen FFC-, FPC- ja USB Type-C ‑liittimistä, niiden tärkeimmistä ominaisuuksista ja hyödyistä sekä oikeasta käytöstä.

Levystä-levyyn-kytkentöjen tarpeet

FFC-liittimet voivat yhdessä FPC-liittimien kanssa vastata potilasmonitorointilaitteiden suunnittelijoiden tarpeisiin koskien tiheydeltään suuria ja erittäin nopeita levystä-levyyn-kytkentäjärjestelmiä. Joitakin näistä liittimistä voidaan käyttää sekä manuaalisessa että automatisoidussa kokoonpanossa, ja ne kytketään automaattisen lukituksen ansiosta yhdessä vaiheessa (kuva 1).

Kuva 1: FFC- ja FPC-liittimiä voidaan käyttää sekä manuaalisessa että automatisoidussa kokoonpanossa, ja ne kytketään automaattisen lukituksen ansiosta yhdessä vaiheessa. (Kuvan lähde: DigiKey)

FFC-tyyppiset levystä-levyyn-liittimet tukevat jopa 40 gigahertsin (GHz) datanopetta ja tarjoavat jopa 80 liitäntää useissa litteissä vaihtoehdoissa, mukaan lukien joustavan suunnittelun mahdollistava suorakulmainen ja vertikaalinen liitäntä. Kotelo voidaan suunnitella tiiviiksi, sillä kytkentöjen väli voi olla jopa alle yhden millimetrin (mm). ZIF (nollavoima)- ja ei-ZIF-mallit täyttävät erilaisten sovellusten tarpeet.

Jotkin FFC-liittimet on suunniteltu käytettäväksi jopa 150 celsiusasteen (°C) lämpötilassa. Saatavana on useita kaapelivaihtoehtoja, kuten tavalliset FFC-kaapelit, lukittuvat FFC-kaapelit sekä räätälöidyt FFC-kaapelit. Näihin liittimiin voi usein kytkeä sekä tavallisia että suojattuja FFC-liittimiä, ja maadoitusterminaalit tukevat LVDS:n (pienjännite-differentiaalisignaali) kaltaisten nopeiden tiedonsiirtoprotokollien tarpeita. Suorituskyvyn voi maksimoida käyttämällä suojattuja kaapeleita liittimissä, joissa on maadoitusterminaalit.

Potilasmonitoreiden yhteydet muuhun maailmaan

Potilasmonitorointi antaa terveydenhuollon ammattilaisille ratkaisevan tärkeää tietoa siitä, miten keho reagoi sairauden tai muun fyysisen vaivan välttämiseen tai sen vaikutusten korjaukseen tähtäävään hoitoon. Se edellyttää usein monitorointidatan lähettämistä monitorointilaitteen ulkopuoliseen laitteeseen.

USB Type-C ‑liittimet soveltuvat erinomaisesti potilasmonitorointilaitteiden kytkemiseen ulkoisiin laitteisiin, kuten HDMI-monitoreihin tai datan tallennusjärjestelmiin. Näiden liittimien jalkajärjestys on symmetrinen ja käännettävä. Tämä helpottaa liittimien käyttöä ja lisää joustavuutta, sillä liittimet voi kytkeä kummin päin tahansa (kuva 2).

Kuva 2: USB Type-C ‑liittimien jalkajärjestys on symmetrinen ja käännettävä. Tämä helpottaa liittimien käyttöä ja lisää joustavuutta. (Kuvan lähde: DigiKey)

Uusimpien USB4-protokollien käyttöön tarvitaan USB Type-C ‑liittimiä. USB4 perustuu Thunderbolt 3 ‑rajapintaan ja mahdollistaa DisplayPort- sekä PCI Express (PCIe) ‑datan tunneloimisen. Sen nimellistiedonsiirtonopeus on 20 gigabittiä sekunnissa (Gbit/s) ja nopeus on laajennettavissa 40 gigabittiin sekunnissa. USB4 tarjoaa mahdollisuuden käyttää useita päätelaitetyyppejä yhden erittäin nopean linkin jakamiseen, jossa datan siirto optimoidaan datan tyypin ja käytön mukaisesti. Tunnelointia käytettäessä 20 Gbit/s:n nimellisdatanopeudella voidaankin sekamuotoista dataa lähetettäessä saavuttaa USB 3.2 -protokollaa korkeampi tiedonsiirtonopeus.

USB Power Delivery (PD) ‑protokolla tarjoaa jopa 20 volttia, 5 ampeeria (A) ja 100 wattia lataukseen ja muuhun käyttöön, mukaan lukien datansiirtokapasiteetin laajentaminen. USB Type-C PD voi lyhentää akun latausaikaa 40–64 prosentilla micro USB 2.0 ‑liitännän 1,8 A:n latauskapasiteettiin verrattuna. USB PD -protokollan älykäs ja joustava järjestelmätason tehonhallinta tukee kaksisuuntaista tehonsiirtoa, jossa siirron suunta voi vaihtua reaaliaikaisesti. Type-C pystyykin tukemaan myös muita standardeja, kuten DisplayPort, HDMI ja PCIe.

Nopea roolinvaihto (Fast role swap, FRS) on uusi ominaisuus USB Type-C PD ‑spesifikaation uusimmassa versiossa. Suunnittelijat voivat FRS-ominaisuuden avulla pienentää datan häviämisen riskiä ja säilyttää signaalin eheyden potilasmonitorointilaitteiden kaltaisissa USB-oheislaitteissa tilanteissa, joissa esimerkiksi liitosjohto irtoaa odottamattomasti. FRS tapahtuu 150 mikrosekunnissa (µs): akusta tulee virtalähde ja toisesta laitteesta virran kuluttaja ilman, että toiminta keskeytyy. Dataliikenne jatkuu keskeytymättä yhteen suuntaan. Järjestelmä pysyy toiminnassa ilman häiriöitä, vaikka tehon siirtosuunta vaihtuu toiseksi.

USB4-spesifikaatiossa USB PD ‑protokollaan lisättiin myös ohjelmoitava virtalähde (PPS). PPS mahdollistaa jännitteen ja virran muutoksen pienin askelin. Jos PPS-virtalähteeseen kytketään virtaa vastaanottava laite, se voi pyytää tehonlähdettä muuttamaan sen toimittamaa virtaa. PPS-protokollan avulla ladata litiumioniakkuja voidaan nopeasti ja parantaa järjestelmän yleistä tehokkuutta, jolloin lämpökuorma pienenee ja järjestelmä mahtuu pienempään koteloon.

Levystä-levyyn-liitin lääketieteellisissä monitorointilaitteissa

Kuten edellä todetaan, FFC-liittimet voivat yhdessä FPC-liittimien kanssa vastata potilasmonitorointilaitteiden korkean tiheyden ja erittäin nopeiden levystä-levyyn-kytkentäjärjestelmien tarpeeseen. Ne voivat tukea joko manuaalista tai automatisoitua kokoonpanoa. Molex Easy-On FFC/FPC ‑liitinlinjan 0541324062 on hyvä esimerkki tästä. Liittimessä on 40 kultapinnoitettua kosketinnastaa 0,50 millimetrin (mm) välein (kuva 3).

Kuva 3: Molex 0541324062 Easy-On FFC/FPC ‑liittimessä on 40 kultapinnoitettua kosketinnastaa 0,50 mm:n välein. (Kuvan lähde: Molex)

Malli 0541324062 tukee jopa 10 Gbit/s datansiirtonopeuksia. Kaapelin asetukseen ja kytkennän varmistamiseen käytetään positiivista inertialukitusta, ja iskun- ja värähtelynkestävyyden takaa kaapelin 20 Newtonin (N) pidätysvoima. Liitin kiinnitetään piirilevyyn kestävillä juotoskorvakkeilla, jotka pitävät sen paikallaan ja huolehtivat vedonpoistosta.

541324062 Easy-On FFC/FPC ‑liittimen kanssa käytettävä Molexin Premo-Flex FFC ‑hyppykaapeli 0151660431 sopii liittimen 40 kosketinnastapaikkaan ja 0,50 mm:n jakoon. Sen pituus on 102,00 mm (kuva 4). Tämä levystä-levyyn-kytkentäjärjestelmä auttaa suunnittelijoita ratkaisemaan sovellushaasteita, jos tilaa on vähän tai liittimeen on vaikea päästä käsiksi.

Kuva 4: Molexin Premo-Flex FFC ‑hyppykaapelissa 0151660431 on 40 kytkentänastaa 0,50 mm:n välein. Johdon pituus on 102,00 mm. (Kuvan lähde: Molex)

Molexin Premo-Flex-hyppykaapeleista on saatavana useita eri pituuksia, piirimääriä, kytkentöjen välejä ja paksuuksia. Näiden kestävien ja erittäin joustavien kaapelien nimellislämmönkestävyys on 105 °C ja taivutuskestävyys 900 000 sykliä (tavallisissa hyppykaapeleissa se on 6000 sykliä).

Huomaa, että kytkettäessä FFC-hyppykaapelia Easy-On FFC/FPC ‑liittimeen ja irrotettaessa siitä on tärkeää varmistaa, että kaikki kytkennät ovat jännitteettömiä, sillä muuten kipinät voivat vaurioittaa kytkentänastoja. Lukituslaitetta avattaessa tai suljettaessa voima on kohdistettava laitteen molempiin reunoihin, sillä muuten liitin voi vaurioitua. Joustavaan kaapeliin ei myöskään saa kohdistua vetoa tai jännitystä, kun se asetetaan liittimeen. Muuten lukituslaite ei ehkä lukitu kunnolla, kaapeli voi vaurioitua tai johdot katketa.

Erittäin nopeat ulkoiset yhteydet

Molexin 1054500101-liittimen kaltaiset USB Type-C ‑liittimet tukevat virheetöntä potilasmonitorointidatan siirtoa ja hyvää signaalin eheyttä, minkä lisäksi ne syöttävät laitteille virtaa (kuva 5). Molex käyttää USB Type-C ‑liittimissään kolmea insertin ruiskuvaluprosessia, joiden ansiosta syntyvä yhtenäinen liitinkappale minimoi kosteuden pääsyn liittimen sisälle. Näiden lisäksi vielä kolme insertin ruiskuvaluprosessia minimoivat myös riskin siitä, että liitinterminaalit nousisivat tai taipuisivat. Tämä parantaa liitinten mekaanista kestävyyttä ja sähköistä luotettavuutta. Liittimet kestävät 10 000 liitos- ja irrotussykliä sekä virheellisiä liitosyrityksiä ja muuta väärinkäyttöä.

Kuva 5: 1054500101-liittimen kaltaiset USB Type-C ‑liittimet tukevat virheetöntä datansiirtoa ja syöttävät virtaa lääketieteellisille monitorointilaitteille. (Kuvan lähde: Molex)

Näiden erittäin suorituskykyisten liittimien ominaisuuksiin kuuluvat:

• jopa 40 Gbit/s datansiirtonopeus tukee erittäin nopeita verkkosovelluksia
• 4K-resoluutio tukee laadukkaita näyttöjä
• EMI/RFI-suojaus
• liittämisen aikaisten oikosulkujen estäminen kotelon ja kuoren välisellä mylartulpalla
• vakaa sähköinen toiminta tukee korkeaa virtaluokitusta ja minimoi lämpötilan nousun.

USB Type-C ‑liittimien suurempi teho ja kosketinnastojen erittäin tiivis asettelu edellyttävät, että suunnittelijat ovat tietoisia mahdollisten lämpöryntäysten vaikutuksista turvallisuuteen ja tulipaloriskiin. USB PD ‑tehosäännöt takaavat turvallisen toiminnan normaalitilanteessa. Liittimen tai kaapelin vaurio voi kuitenkin heikentää käyttöturvallisuutta. USB Type-C ‑liittimien ja ‑kaapelien suunnittelussa käytetään usein ylivirta- ja ylikuumenemissuojauksia mahdollisten lämpöryntäysten vähentämiseksi.

USB Type-C ‑kaapelien differentiaalisten SuperSpeed-lähetysparien differentiaalinen impedanssi on 90 ohmia (Ω). Myös vaihtoehtoista tilaa käyttävien mallien täytyy pystyä käsittelemään 90 Ω.

Yhteenveto

Potilasmonitoroinnin tarpeen kasvaessa järjestelmien suunnittelijat tarvitsevat liittimiä ja niihin sopivia kytkentäkaapeleita sekä hyppykaapeleita, joilla voidaan siirtää useita datatyyppejä, virtaa ja ohjaussignaaleja erittäin nopeasti sekä potilaan suuntaan että vastasuuntaan. Käytettävissä oleva tila on usein pieni ja hintapaineet suuria, minkä lisäksi täytyy varmistaa helppokäyttöisyys ja potilaan mukavuuteen kohdistuvien haitallisten vaikutusten minimointi.

Kuten edellä kerrotaan, FFC-, FPC- ja USB Type-C ‑liittimet vastaavat näihin haasteisiin tehokkaan kokoonpanonsa, hyvän signaalin eheytensä ja helppokäyttöisyytensä ansiosta. Suunnittelijat voivat sopivalla liitin- ja kytkentävalinnalla vastata potilasmonitoroinnin monimutkaisiin haasteisiin, jotka vaihtelevat sähköisestä toiminnasta hoidon laatuun.

Suositeltavaa luettavaa

1. Reliability is a Decisive Factor in Sensor-Based Medical Applications