Board-to-board-connectoren in de medische technologie
De juiste contacten in de medische technologie
In de medische technologie zullen verbonden medische apparaten met steeds meer slimme sensoren het toneel gaan domineren. De strengste regelgeving en de hoogste uitvalbeveiliging bepalen de richting die de gebruikte producten en componenten moeten volgen. Miniaturisatie, gegevensoverdrachtssnelheid en elektromagnetische straling zijn expliciet de eisen waaraan board-to-board-connectoren moeten voldoen. Voor de hardwareontwikkelaar zijn dit criteria die het ontwerp van het apparaat in belangrijke mate bepalen.
Vandaag de dag moeten patiënten zich nog aanpassen aan de structuren van het gezondheidszorgstelsel. Morgen al – en de prognoses van Deloitte gelden voor 2025 – zal de gezondheidszorg zich juist omgekeerd richten op de patiënt, op zijn verblijfplaats en zijn tijdschema. De stap naar deze „4P-geneeskunde“ (predictive, preventative, personalized, participatory) wordt bevorderd door talrijke digitale innovaties.
Deze paradigmaverschuiving zal zich manifesteren bij de fabrikanten van medische apparatuur. Het aantal slimme sensoren neemt toe naarmate producten steeds meer worden verbonden in het Internet of Medical Things (IoMT). De patiëntenzorg wordt comfortabeler, bijvoorbeeld door draadloze verbindingen met het elektronische patiëntendossier en de realtime overdracht en monitoring van vitale parameters. Data-analyse, cognitieve methoden en robotica bieden verdere mogelijkheden in de gezondheidszorg.
Deze paradigmaverschuiving zal zich manifesteren bij de fabrikanten van medische apparatuur. Het aantal slimme sensoren neemt toe naarmate producten steeds meer worden verbonden in het Internet of Medical Things (IoMT). De patiëntenzorg wordt comfortabeler, bijvoorbeeld door draadloze verbindingen met het elektronische patiëntendossier en de realtime overdracht en monitoring van vitale parameters. Data-analyse, cognitieve methoden en robotica bieden verdere mogelijkheden in de gezondheidszorg.
Hoge snelheid en EMC staan centraal bij medische apparatuur
Medische beeldvormingssystemen zoals CT-scanners, MRI-apparaten en digitale röntgenapparatuur verwerken tot 20 Gbit/s aan beeld- en patiëntgegevens in realtime. Hetzelfde geldt voor toepassingen op het gebied van telegeneeskunde en monitoring op afstand. Ook bij chirurgische robotica is realtime overdracht van beelden en besturingscommando’s tussen de console van de chirurg en het robotsysteem vereist. Endoscopie met hoge resolutie, implanteerbare apparaten en patiëntbewakingssystemen zijn andere gebieden die afhankelijk zijn van gegevensoverdracht, maar ook veel waarde hechten aan EMC-ontwerpaspecten voor storingsbestendigheid en patiëntveiligheid.
Andere trends, zoals de toename van multi-source-sensortechnologie en steeds sterker genetwerkte totale systemen, vereisen snelle, betrouwbare en veilige gegevensoverdracht via verschillende interfaces – een feit dat met name geldt voor medische apparatuur. Daarbij speelt signaalintegriteit een cruciale rol, waarbij uiterst nauwkeurige en betrouwbare gegevens in de toepassingen de boventoon voeren. Constante stromen en nauwkeurige gegevens zijn onmisbaar om de functionele veiligheid, betrouwbaarheid en efficiëntie van de apparaten te waarborgen. Hoge bitsnelheden, soms over grote afstanden, kunnen bij storingen zoals ruis, (terug)koppelingsverliezen, vervormingen en overspraak de elektrische signalen zo sterk beïnvloeden dat er fouten optreden en apparaten uitvallen.
Andere trends, zoals de toename van multi-source-sensortechnologie en steeds sterker genetwerkte totale systemen, vereisen snelle, betrouwbare en veilige gegevensoverdracht via verschillende interfaces – een feit dat met name geldt voor medische apparatuur. Daarbij speelt signaalintegriteit een cruciale rol, waarbij uiterst nauwkeurige en betrouwbare gegevens in de toepassingen de boventoon voeren. Constante stromen en nauwkeurige gegevens zijn onmisbaar om de functionele veiligheid, betrouwbaarheid en efficiëntie van de apparaten te waarborgen. Hoge bitsnelheden, soms over grote afstanden, kunnen bij storingen zoals ruis, (terug)koppelingsverliezen, vervormingen en overspraak de elektrische signalen zo sterk beïnvloeden dat er fouten optreden en apparaten uitvallen.
Naleving van de relevante industrienormen
Binnen het kader van regelgeving zoals de Medical Device Regulation (MDR) in de Europese Unie of de voorschriften van de Food and Drug Administration (FDA) in de VS is het van belang om de goedkeuring en het veilige gebruik van de apparaten te waarborgen. Daarnaast is het voor alle hardwareontwerpers een trend om de steeds kleiner wordende inbouwruimte in medische apparaten nog efficiënter te benutten, waarbij de belasting van de apparaten met betrekking tot schokken, trillingen en vibraties, evenals thermische en chemische omgevingsinvloeden, nog steeds de robuustheid van alle apparaten op de proef stellen.
Verder zijn er drie gerichte, toepassingsspecifieke industrienormen voor medische apparatuur waarmee bij alle ontwerpen rekening moet worden gehouden. Ten eerste ISO 80369-1, die betrekking heeft op de ontwerpmethodiek ter vermindering van het risico op verkeerde aansluiting van medische apparatuur of accessoires. Ten tweede, IEC 60601, die de algemene eisen voor de fundamentele veiligheid en de essentiële prestatiekenmerken beschrijft, inclusief elektromagnetische interferentie (EMI) en elektromagnetische compatibiliteit (EMC). En ten derde ISO 13485, die betrekking heeft op de kwaliteitssystemen die verantwoordelijk zijn voor de traceerbaarheid van de componenten en processen die in het productieproces worden gebruikt.
Verder zijn er drie gerichte, toepassingsspecifieke industrienormen voor medische apparatuur waarmee bij alle ontwerpen rekening moet worden gehouden. Ten eerste ISO 80369-1, die betrekking heeft op de ontwerpmethodiek ter vermindering van het risico op verkeerde aansluiting van medische apparatuur of accessoires. Ten tweede, IEC 60601, die de algemene eisen voor de fundamentele veiligheid en de essentiële prestatiekenmerken beschrijft, inclusief elektromagnetische interferentie (EMI) en elektromagnetische compatibiliteit (EMC). En ten derde ISO 13485, die betrekking heeft op de kwaliteitssystemen die verantwoordelijk zijn voor de traceerbaarheid van de componenten en processen die in het productieproces worden gebruikt.
Board-to-board-connectoren als signaaloverdragers
Naarmate de complexiteit en integratiedichtheid in medische apparatuur steeds verder toenemen en bestaande en nieuwe functionaliteiten in een zeer beperkte ruimte moeten worden geïntegreerd, worden er enorm hoge eisen gesteld aan board-to-board-connectoren als verbinding tussen de printplaten. De meest uiteenlopende toepassingslocaties en -gebieden belasten de apparaten met trillingen en schokken. De connectoren moeten zorgen voor een langdurige contactzekerheid bij microbewegingen. Robuustheid, gegevensoverdracht en EMC-afscherming zijn voor de hardwareontwikkelaar de drie hoekstenen in het mechanische ontwerp van apparaten.
De connectoren van de nieuwste generatie moeten storingen in de signaaloverdracht minimaliseren en het contactontwerp van de stekkers moet daar perfect op zijn afgestemd. Daarom is het altijd het doel om de risico's bij de gegevensoverdracht te vermijden, waaronder voornamelijk schommelingen in de impedantie door materiaal- en geometrieveranderingen, evenals demping door insertieverlies en retourverlies, en overspraak.
De connectoren van de nieuwste generatie moeten storingen in de signaaloverdracht minimaliseren en het contactontwerp van de stekkers moet daar perfect op zijn afgestemd. Daarom is het altijd het doel om de risico's bij de gegevensoverdracht te vermijden, waaronder voornamelijk schommelingen in de impedantie door materiaal- en geometrieveranderingen, evenals demping door insertieverlies en retourverlies, en overspraak.
Signaalbeveiliging als basis
Wat betreft elektromagnetische invloeden hebben hogesnelheidssignalen een speciale signaalbescherming nodig. Een connector kan daarbij zowel als storingsbron als storingsafleider fungeren. Hier wordt signaalbescherming door middel van een afschermplaat aanbevolen om de gevoelige signalen tegen externe invloeden te beschermen. Dat zelfs een kleine elektrische impuls het bruikbare signaal kan verstoren, blijkt uit de afbeelding hieronder.
De ontvanger kan de digitale toestanden van het HDMI-signaal al na een korte puls van 0,5 kV niet meer eenduidig interpreteren, terwijl de signaaloverdracht via de afgeschermde connector zelfs bij 4,4 kV nog stabiel verloopt.
De koppelingsinductie LK beschrijft de connector aan de hand van de elektrische verhoudingen in beide functies – bron en sink. Dit geldt zowel voor de storingsbestendigheid als voor de storingsuitstraling. Als de geïnduceerde spanning (Uind), de spanning van de generator (UGen) en de generatorconstante (kGen) bekend zijn, kan de specifieke maximaal toegestane koppelingsinductiviteit (LK) met deze vergelijking worden bepaald:
LK = Uind / (UGen * kGen) (vergelijking 1)
De koppelingsinductiviteit helpt de gebruiker bovendien bij het bepalen van de juiste connector wat betreft zijn elektromagnetische compatibiliteit en het vermijden van kostbare en tijdrovende trial-and-error-tests in het EMC-laboratorium. Hier volgt een voorbeeld: voor een HDMI-signaal werd bij een spanning van 4,4 kV een casusspecifieke maximale koppelingsinductiviteit van 47 pH bepaald. Ligt de waarde daarboven, wordt het signaal dus niet meer storingsvrij overgedragen.
De koppelingsinductie LK beschrijft de connector aan de hand van de elektrische verhoudingen in beide functies – bron en sink. Dit geldt zowel voor de storingsbestendigheid als voor de storingsuitstraling. Als de geïnduceerde spanning (Uind), de spanning van de generator (UGen) en de generatorconstante (kGen) bekend zijn, kan de specifieke maximaal toegestane koppelingsinductiviteit (LK) met deze vergelijking worden bepaald:
LK = Uind / (UGen * kGen) (vergelijking 1)
De koppelingsinductiviteit helpt de gebruiker bovendien bij het bepalen van de juiste connector wat betreft zijn elektromagnetische compatibiliteit en het vermijden van kostbare en tijdrovende trial-and-error-tests in het EMC-laboratorium. Hier volgt een voorbeeld: voor een HDMI-signaal werd bij een spanning van 4,4 kV een casusspecifieke maximale koppelingsinductiviteit van 47 pH bepaald. Ligt de waarde daarboven, wordt het signaal dus niet meer storingsvrij overgedragen.
Speciaal voor veeleisende industriële toepassingen
De Zero8-productfamilie van ept is ontworpen om aan deze hoge eisen in de medische technologie te voldoen en biedt dankzij de hoge schaalbaarheid een ideale aanpassing aan individuele behoeften – de uitvoeringen, stapelhoogte en het aantal polen kunnen individueel worden gekozen. De sockets en connectoren zijn momenteel verkrijgbaar in de uitvoeringen Mid-Profile en Low-Profile en zullen in de toekomst ook beschikbaar zijn als High-Profile en in een haakse versie. Dankzij de verschillende bouwhoogtes kunnen met Zero8-connectoren printplaatafstanden van 6,00 mm tot 21,00 mm worden gerealiseerd, waarbij het aantal polen variabel is tussen twaalf en 80. Voor afscherming kunnen beide zijden van het connectorpaar worden voorzien van bescherming, waarbij alle Zero8-connectoren uiteraard onderling compatibel zijn en vrij kunnen worden gecombineerd.
De dubbelzijdige aansluittechnologie ScaleX is bestand tegen de zware omstandigheden van industriële toepassingen en garandeert een betrouwbaar contact bij mechanische belasting zoals schokken en trillingen. Bovendien compenseert deze technologie in alle richtingen de toleranties van de apparaten wanneer de connectoren zijn aangesloten. Door de EMC-afscherming worden de signalen in een industriële omgeving beschermd tegen invloeden van buitenaf en garandeert de materiaalsamenstelling een gegevensoverdrachtssnelheid tot 16 Gbit/s.
Meer informatie over de Zero8 »
De dubbelzijdige aansluittechnologie ScaleX is bestand tegen de zware omstandigheden van industriële toepassingen en garandeert een betrouwbaar contact bij mechanische belasting zoals schokken en trillingen. Bovendien compenseert deze technologie in alle richtingen de toleranties van de apparaten wanneer de connectoren zijn aangesloten. Door de EMC-afscherming worden de signalen in een industriële omgeving beschermd tegen invloeden van buitenaf en garandeert de materiaalsamenstelling een gegevensoverdrachtssnelheid tot 16 Gbit/s.
Meer informatie over de Zero8 »
Het kiezen van de juiste connector voor een hogesnelheidstoepassing mag niet worden onderschat. Zoals hier beschreven, gelden er met name in de medische sector veel eisen tegelijk. Aan welke mechanische of elektrische eigenschappen de board-to-board-connectoren moeten voldoen of hoe de aansluitingsperiferie van de stekker is vormgegeven – dat zijn allemaal fijne detailkwesties die van pin tot pin doorslaggevend kunnen zijn bij de keuze.
Geïnteresseerd?
Kies dan meteen uw connector van Europese makelij:
Productlijst
Heeft u nog vragen?
Neem dan gerust contact met ons op!
Aanvraag via het formulier
+49 8861 2501 0
sales@ept.de
Neem dan gerust contact met ons op!
Aanvraag via het formulier
+49 8861 2501 0
sales@ept.de