Utilice interconexiones densas y flexibles para diseñar dispositivos de monitoreo de pacientes compactos y de alto rendimiento.

El seguimiento del paciente de muchas enfermedades crónicas y afecciones médicas se está extendiendo rápidamente, y puede ser crucial para acelerar la curación, evitar complicaciones y mantener una salud óptima. Los sistemas típicos de interconexión de dispositivos de monitoreo de pacientes transportan datos (a veces incluyendo imágenes de alta resolución), energía y señales de control dentro del dispositivo, así como hacia y desde él. Los diseñadores de estos sistemas deben enfrentarse a numerosos retos, a menudo contradictorios, como factores de forma más pequeños, más conjuntos de características y velocidades de datos más rápidas que exigen una alta integridad de la señal (SI) y transferencias de datos fluidas.

Al mismo tiempo, los dispositivos deben ser cómodos para los pacientes y fáciles de usar tanto para los profesionales de la salud como para los pacientes (en su caso), a pesar de la complejidad inherente de los monitores y la naturaleza crítica de sus funciones. El uso de un conector o interconexión voluminoso, inapropiado o mal diseñado puede socavar estos objetivos y añadir un costo innecesario.

Para hacer frente a las demandas de estas aplicaciones, los diseñadores tienen una serie de conectores e interconexiones cada vez más refinados entre los que elegir. Por ejemplo, en función de las exigencias de la aplicación específica, los diseñadores pueden elegir conectores flexibles planos (FFC) de alta densidad para un montaje automatizado de bajo costo, cables impresos flexibles (FPC) con una pequeña separación entre líneas centrales en los casos en que las soluciones de cable a placa son poco prácticas, o conectores USB Type-C® que proporcionan conexiones compactas, fáciles de usar y de alta velocidad.

Este artículo repasa brevemente las necesidades de interconexión de los dispositivos de monitoreo de pacientes, examinando las conexiones dentro de los dispositivos y entre estos y el mundo exterior. A continuación, presentará ejemplos de conectores FFC, FPC y USB Type-C de Molex, identificando las características y ventajas clave, así como su correcta aplicación.

Necesidades de interconexión entre placas

Los FFC combinados con los FPC pueden satisfacer las necesidades de los diseñadores de sistemas de interconexión placa a placa de alta densidad y velocidad para dispositivos de monitorización de pacientes. Algunos de estos conectores pueden utilizarse tanto en operaciones de ensamblaje manuales como robóticas, y cuentan con un mecanismo de acoplamiento de un solo paso con bloqueo automático (Figura 1).

Figura 1: Los FFC y FPC pueden utilizarse en operaciones de montaje tanto manuales como robóticas y cuentan con un mecanismo de acoplamiento de un solo paso con bloqueo automático. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Los conectores FFC de placa a placa pueden utilizarse para admitir velocidades de datos de hasta 40 gigahercios (GHz) y pueden proporcionar hasta 80 conexiones en varias orientaciones de bajo perfil, incluidas las de ángulo recto y vertical, para ofrecer opciones de diseño flexibles. Los pasos de las conexiones pueden ser inferiores a un milímetro (mm) para admitir diseños de embalaje ajustados. Existen diseños con fuerza de inserción cero (ZIF) y sin ZIF para satisfacer las necesidades de aplicaciones específicas.

Algunos FFC están especificados para temperaturas de hasta 150 grados Celsius (°C), y están diseñados para su uso con una variedad de opciones de cableado, incluyendo cables FFC genéricos, cables FFC con bloqueo o cables FFC personalizados. Estos conectores suelen aceptar FFC estándar o apantallados, y los terminales de conexión a tierra admiten las necesidades de los protocolos de alta velocidad, como la señalización diferencial de bajo voltaje (LVDS). Para obtener el máximo rendimiento, se deben utilizar cables apantallados con conectores que tengan terminales con toma de tierra.

Conexión de los monitores de los pacientes con el mundo exterior

La monitorización del paciente es crucial para que los cuidadores comprendan cómo está respondiendo el cuerpo a las terapias para mitigar o reparar los efectos de una enfermedad u otra dolencia física. Para ello, a menudo es necesario llevar los datos monitorizados a equipos ajenos al dispositivo de monitorización.

Los conectores USB Type-C pueden ser una gran opción para conectar dispositivos de monitorización de pacientes a equipos externos como monitores HDMI y sistemas de almacenamiento de datos. Estos conectores tienen una disposición de pines simétrica y reversible que facilita el uso y la flexibilidad, ya que pueden conectarse en cualquier orientación (Figura 2).

Figura 2: Los conectores USB Type-C tienen un pinout simétrico y reversible que favorece la facilidad de uso y la flexibilidad. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Los conectores USB Type-C son necesarios para implementar los últimos protocolos USB4. USB4 se basa en la interfaz Thunderbolt 3, permite la tunelización de datos DisplayPort y PCI Express (PCIe), y admite una velocidad de datos nominal de 20 gigabits por segundo (Gbits/s) que puede ampliarse hasta 40 Gbits/s. USB4 incluye la posibilidad de que varios tipos de dispositivos finales compartan dinámicamente un único enlace de alta velocidad que optimiza la transferencia de datos por tipo y aplicación. Como resultado, cuando se emplea la tunelización, la velocidad de datos nominal de 20 Gbit/s puede dar lugar a un mayor rendimiento efectivo al enviar datos mixtos, en comparación con el USB 3.2.

El protocolo USB Power Delivery (PD) proporciona hasta 20 voltios, 5 amperios (A) y 100 vatios para la carga y otros usos, incluida la capacidad de transferencia de datos ampliada. El USB Type-C PD puede reducir el tiempo de carga de la batería entre un 40% y un 64%, en comparación con la capacidad de carga de 1.8 A del micro USB 2.0. Las capacidades inteligentes y flexibles de gestión de la energía a nivel de sistema de USB PD admiten la alimentación bidireccional que puede cambiar de dirección en tiempo real y hace posible la compatibilidad de Type-C con otros estándares como DisplayPort, HDMI o PCIe.

El intercambio rápido de roles (FRS) es una mejora en la última versión de la especificación USB Type-C PD. Los diseñadores pueden utilizar el FRS para reducir el riesgo de pérdida de datos y preservar la SI en los periféricos USB, como los dispositivos de monitorización de pacientes, en caso de retirada inesperada de un cable de alimentación de un hub o una base. El FRS se implementa en 150 microsegundos (µs), lo que permite que la batería se convierta en la fuente y el otro dispositivo en el sumidero, manteniendo un funcionamiento ininterrumpido. La comunicación de datos continúa en una sola dirección sin interrupción, preservando el funcionamiento del sistema y evitando fallos, aunque se invierta el sentido de la alimentación.

Otra mejora del rendimiento de USB PD en USB4 es la capacidad de alimentación programable (PPS). El PPS permite realizar pequeños cambios en la tensión y la corriente. Si un disipador de energía está conectado a una fuente de energía con capacidad PPS, puede solicitar cambios en la energía suministrada por la fuente. El PPS puede permitir la carga rápida de las baterías de iones de litio y mejorar la eficiencia energética general del sistema, lo que reduce la carga térmica y permite una mayor densidad de empaquetado del sistema.

Conector de placa a placa para dispositivos de monitorización médica

Como se ha señalado anteriormente, los FFC combinados con los FPC pueden satisfacer la necesidad que tienen los diseñadores de dispositivos de monitorización de pacientes de contar con sistemas de interconexión placa a placa de alta densidad y velocidad que puedan soportar el montaje manual o robótico. El modelo 0541324062 de la línea de conectores Easy-On FFC/FPC de Molex es un buen ejemplo. El conector tiene 40 posiciones con revestimiento de oro en un paso de 0.50 milímetros (mm) (Figura 3).

Figura 3: El conector FFC/FPC Easy-On modelo 0541324062 de Molex cuenta con 40 posiciones con baño de oro en un paso de 0.50 mm. (Fuente de la imagen: Molex)

El modelo 0541324062 admite velocidades de datos de hasta 10 Gbits/s. La inserción completa de los cables y el acoplamiento seguro se llevan a cabo mediante el bloqueo de inercia positiva. La resistencia a los golpes y las vibraciones está garantizada por la fuerza de retención del cable de 20 Newton (N). Las resistentes lengüetas de soldadura proporcionan la retención de la placa de circuito impreso y el alivio de la tensión.

Utilizado junto con el conector Easy-On FFC/FPC modelo 541324062, el modelo 0151660431 de la línea de puentes Premo-Flex FFC de Molex se ajusta a las 40 posiciones y al paso de 0.50 mm del conector y tiene una longitud de 102.00 mm (Figura 4). Este sistema de interconexión placa a placa puede ayudar a los diseñadores a resolver los retos que plantean las aplicaciones con limitaciones de espacio o de difícil acceso.

Figura 4: El puente Premo-Flex FFC 0151660431 de paso de 0.50 mm de Molex tiene 40 posiciones y una longitud de 102.00 mm. (Fuente de la imagen: Molex)

Molex ofrece puentes Premo-Flex en una gama de longitudes de cable, tamaños de circuito, pasos y grosores. Con una temperatura de 105 °C, estos cables duraderos y ultraflexibles tienen una vida útil de 900,000 ciclos, en comparación con los 6,000 ciclos de los puentes estándar.

Tenga en cuenta que al conectar o desconectar un puente FFC de un conector FFC/FPC Easy-On, es importante asegurarse de que todas las conexiones estén sin tensión para evitar chispas que puedan dañar los contactos. Además, al abrir o cerrar el actuador de bloqueo, la fuerza debe aplicarse a ambos lados del actuador. La aplicación de fuerza en un solo lado podría dañar el conector. Por último, al insertar el cable flexible en el conector, no debe haber ninguna fuerza de tracción o tensión en el cable. De lo contrario, es posible que el actuador no se bloquee correctamente, que el cable se dañe o que se corten los trazos.

Conexiones externas de alta velocidad

Conectores como el 1054500101 de la línea USB Type-C de Molex pueden soportar transferencias de datos de monitorización de pacientes sin fallos y un alto SI mientras proporcionan energía a los dispositivos (Figura 5). Molex utiliza tres procesos de moldeo por inserción en sus conectores USB Type-C para que la lengüeta de acoplamiento sea una sola pieza y minimizar la entrada de agua. El riesgo de que los terminales se levanten o se doblen se minimiza gracias a tres procesos adicionales de moldeo de insertos que dan como resultado una mayor durabilidad mecánica y una mayor fiabilidad eléctrica. Estos conectores ofrecen una solución duradera con una capacidad de 10,000 ciclos de acoplamiento y desacoplamiento que resiste los intentos de acoplamiento inadecuados y otros abusos.

Figura 5: Los conectores USB Type-C, como el 1054500101, pueden soportar transferencias de datos sin fallos y proporcionar energía a los dispositivos de monitorización médica. (Fuente de la imagen: Molex)

Estos conectores de alto rendimiento se caracterizan por:

• Velocidades de datos de hasta 40 Gbit/s para soportar aplicaciones de red de alta velocidad
• Compatibilidad con pantallas de alta calidad con resolución 4K
• Blindaje para proporcionar protección EMI/RFI
• Prevención de cortocircuitos durante el acoplamiento mediante el uso de un tapón de mylar entre la carcasa y el casco
• Rendimiento eléctrico estable para soportar una mayor capacidad de corriente y mínimos aumentos de temperatura

La mayor capacidad de energía y el espacio muy estrecho entre los pines en los conectores USB Type-C significa que los diseñadores deben ser conscientes de los posibles riesgos de seguridad e incendio en caso de desbordamiento térmico. En condiciones normales, las reglas de alimentación del USB PD garantizan un funcionamiento seguro. Sin embargo, los daños en un conector o en un cable pueden provocar un funcionamiento fuera de la zona de seguridad. Los dispositivos de protección contra la sobrecorriente y la sobretemperatura suelen incluirse en los diseños de los conectores y cables USB Type-C para reducir el potencial de desbordamiento térmico.

Los pares diferenciales de transmisión SuperSpeed en los cables USB Type-C tienen una impedancia diferencial de 90 ohmios (Ω). Los diseños que utilizan un modo alternativo también deben ser capaces de manejar 90 Ω.

Conclusión:

A medida que aumenta la necesidad de monitorizar a los pacientes, los diseñadores de estos sistemas necesitan conectores y cableado de interconexión y puentes asociados que puedan transportar de forma fiable múltiples tipos de datos de alta velocidad, así como señales de alimentación y control, tanto hacia como desde el paciente. Las conexiones deben realizarse a menudo en condiciones de espacio reducido y con un costo mínimo, garantizando al mismo tiempo la facilidad de uso y con un impacto mínimo en la comodidad del paciente.

Como se ha mostrado, los FFC, los FPC y los conectores USB Type-C han surgido para hacer frente a estos desafíos mediante un montaje eficiente, un SI alto y una mayor facilidad de uso. Al usar la combinación adecuada de estos conectores e interconexiones, los diseñadores pueden abordar las complejidades inherentes a la monitorización de pacientes, desde el rendimiento eléctrico hasta la calidad de la atención.

Lecturas recomendadas

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