Board-to-board-connector in de medische technologie
De juiste contacten in de medische technologie
In de medische medische technologie zullen onderling verbonden MedTech-apparaten met steeds meer slimme sensoren het toneel domineren. De strengste regelgeving en de hoogste uitvalbeveiliging bepalen de koers die de gebruikte producten en componenten moeten volgen. Miniaturisatie, datasnelheid en elektromagnetische straling zijn expliciet de eisen waaraan board-to-board-connector 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.
Highspeed en EMC staan centraal bij medische technologie
Medische beeldvormingssystemen zoals CT-scanners, MRI-apparaten en digitale röntgenapparaten 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, evenals implanteerbare apparaten en patiëntbewakingssystemen, zijn andere gebieden die afhankelijk zijn van gegevensoverdracht, maar ook veel waarde hechten aan EMC-ontwerpaspecten voor immuniteit en patiëntveiligheid.
Andere trends, zoals de toename van multi-source-sensortechnologie en steeds sterker genetwerkte totale systemen, vereisen een snelle, betrouwbare en veilige gegevensoverdracht via verschillende interfaces – een feit dat met name geldt voor medische technologieapparatuur. Daarbij speelt de 'signaalintegriteit' een doorslaggevende 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 een snelle, betrouwbare en veilige gegevensoverdracht via verschillende interfaces – een feit dat met name geldt voor medische technologieapparatuur. Daarbij speelt de 'signaalintegriteit' een doorslaggevende 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 door schokken, trillingen en schommelingen, evenals thermische en chemische omgevingsinvloeden, nog steeds hoge eisen stellen aan de robuustheid van alle apparaten.
Verder zijn er drie gerichte, toepassingsspecifieke industrienormen voor MedTech-apparaten 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 apparaten of accessoires. Ten tweede IEC 60601, die de algemene eisen beschrijft voor de fundamentele veiligheid en de essentiële prestatiekenmerken, met inbegrip van 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 MedTech-apparaten 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 apparaten of accessoires. Ten tweede IEC 60601, die de algemene eisen beschrijft voor de fundamentele veiligheid en de essentiële prestatiekenmerken, met inbegrip van 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-connector als signaaloverdragers
Naarmate de complexiteit en integratiedichtheid in medische apparaten steeds verder toenemen en bestaande en nieuwe functionaliteiten in een zeer beperkte ruimte moeten worden geïntegreerd, worden de eisen aan board-to-board-connector als brug tussen de printplaten enorm hoog. De meest uiteenlopende inzetlocaties en -gebieden belasten de apparaten met trillingen en schokken. De connector moeten zorgen voor contactzekerheid op lange termijn bij microbewegingen. Robuustheid, gegevensoverdracht en EMC-afscherming zijn voor de hardwareontwikkelaar de drie hoekstenen in het mechanische ontwerp van apparaten.
De connector van de nieuwste generatie moeten storingen in de signaaloverdracht tot een minimum beperken 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 omzeilen, waaronder voornamelijk impedantieschommelingen door materiaal- en geometrieveranderingen, evenals demping door insertieverlies en retourverlies en overspraak.
De connector van de nieuwste generatie moeten storingen in de signaaloverdracht tot een minimum beperken 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 omzeilen, waaronder voornamelijk impedantieschommelingen door materiaal- en geometrieveranderingen, evenals demping door insertieverlies en retourverlies en overspraak.
Signaalbeveiliging als basis
Wat betreft elektromagnetische invloeden hebben high-speed-signalen een speciale signaalbescherming nodig. Een connector kan daarbij zowel als storingsbron als afvoer 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 vervalsen, blijkt uit de afbeelding hieronder.
De ontvanger kan de digitale toestanden van het HDMI-signaal al na een korte burst-impuls van 0,5 kV niet meer eenduidig interpreteren, terwijl de signaaloverdracht van de afgeschermde connector zelfs bij 4,4 kV nog stabiel verloopt.
De wederzijdse inductie LK beschrijft de connector aan de hand van de elektrische verhoudingen in beide functies – bron en sink. Dit geldt zowel voor de immuniteit als voor de elektromagnetische emissie. Als de geïnduceerde spanning (Uind), de spanning van de generator (UGen) en de generatorconstante (kGen) bekend zijn, kan de specifieke maximaal toegestane wederzijdse inductie (LK) met deze vergelijking worden bepaald:
LK = Uind / (UGen * kGen) (vergelijking 1)
De wederzijdse inductie helpt de gebruiker bovendien bij het selecteren van de juiste connector op basis van zijn elektromagnetische compatibiliteit en maakt het mogelijk om kostbare en tijdrovende trial-and-error-tests in het EMC-Labor te vermijden. Hier volgt een voorbeeld: voor een HDMI-signaal werd bij een spanning van 4,4 kV een casusspecifieke maximale wederzijdse inductie van 47 pH vastgesteld. Ligt de waarde daarboven, dan wordt het signaal volgens deze formule niet meer storingsvrij overgedragen.
De wederzijdse inductie LK beschrijft de connector aan de hand van de elektrische verhoudingen in beide functies – bron en sink. Dit geldt zowel voor de immuniteit als voor de elektromagnetische emissie. Als de geïnduceerde spanning (Uind), de spanning van de generator (UGen) en de generatorconstante (kGen) bekend zijn, kan de specifieke maximaal toegestane wederzijdse inductie (LK) met deze vergelijking worden bepaald:
LK = Uind / (UGen * kGen) (vergelijking 1)
De wederzijdse inductie helpt de gebruiker bovendien bij het selecteren van de juiste connector op basis van zijn elektromagnetische compatibiliteit en maakt het mogelijk om kostbare en tijdrovende trial-and-error-tests in het EMC-Labor te vermijden. Hier volgt een voorbeeld: voor een HDMI-signaal werd bij een spanning van 4,4 kV een casusspecifieke maximale wederzijdse inductie van 47 pH vastgesteld. Ligt de waarde daarboven, dan wordt het signaal volgens deze formule niet meer storingsvrij overgedragen.
Speciaal voor veeleisende industriële toepassingen
De Zero8-productfamilie van ept is ontworpen voor deze hoge eisen in de medische techniek (medische technologie) en biedt dankzij de hoge schaalbaarheid een ideale aanpassing aan individuele eisen – types, stapelhoogte en het aantal polen kunnen individueel worden gekozen. Sockels en connector zijn momenteel verkrijgbaar in de type mid-profile en low-profile en zullen in de toekomst ook beschikbaar zijn als high-profile en in een gehoekte versie. Door 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. Met het oog op afscherming kunnen beide zijden van het connectorpaar worden voorzien van bescherming, waarbij alle Zero8-connectoren uiteraard onderling steekcompatibel en vrij combineerbaar zijn.
De dubbelzijdige aansluittechnologie ScaleX is bestand tegen de zware omstandigheden van industriële toepassingen en garandeert een betrouwbare contactverbinding bij mechanische belasting zoals schokken en trillingen. Bovendien compenseert deze technologie in alle richtingen de toleranties van de apparatuur wanneer de connectoren zijn aangesloten. Door de EMC-afscherming worden de signalen in een industriële omgeving beschermd tegen invloeden van buitenaf en garandeert de materiaalkwaliteit een datasnelheidsnelheid 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 betrouwbare contactverbinding bij mechanische belasting zoals schokken en trillingen. Bovendien compenseert deze technologie in alle richtingen de toleranties van de apparatuur wanneer de connectoren zijn aangesloten. Door de EMC-afscherming worden de signalen in een industriële omgeving beschermd tegen invloeden van buitenaf en garandeert de materiaalkwaliteit een datasnelheidsnelheid tot 16 Gbit/s.
Meer informatie over de Zero8 »
Het kiezen van de juiste connector voor een high-speed-toepassing mag niet worden onderschat. Zoals hier beschreven, gelden er met name in de medische technologie veel eisen tegelijk. Aan welke mechanische of elektrische eigenschappen de board-to-board-connector 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 (0) 8861 2501 0
sales@ept.de
Neem dan gerust contact met ons op!
Aanvraag via het formulier
+49 (0) 8861 2501 0
sales@ept.de