השתמשו בחיברורים צפופים וגמישים לתכנון התקני ניטור מטופלים קומפקטיים עם ביצועים עיליים

ניטור מטופלים עם מחלות כרוניות ומצבים רפואיים רבים מתרחב במהירות, , והוא יכול להיות חיוני להאצת הריפוי, הימנעות מסיבוכים ושמירה על בריאות אופטימלית. מערכות חיברורים טיפוסיות עבור התקני ניטור מטופלים מעבירות נתונים (לעיתים גם תמונות ברזולוציה גבוהה), הספקת-כוח ואותות בקרה בתוך ובין התקנים. על מתכנני מערכות אלו להתמודד עם אתגרים רבים ולעתים סותרים, כולל גורמי צורה קטנים יותר, מערכי מאפיינים רבים יותר וקצבי נתונים מהירים יותר הדורשים תקינות אותות (SI) גבוהה והעברת נתונים חלקה.

יחד עם זאת, ההתקנים חייבים להיות נוחים למטופלים וקלים לשימוש הן לאנשי מקצוע בתחום הבריאות והן למטופלים (היכן שמתאים) למרות המורכבות הטבועה במוניטורים והאופי הקריטי של הפונקציות שלהם. שימוש במחבר או חיברור מגושם, לא מתאים או מתוכנן בצורה גרועה יכול לערער מטרות אלה ולהוסיף עלות מיותרת.

כדי לענות על הדרישות של יישומים אלה, יש למתכננים מספר מחברים וחיברורים יותר ויותר משוכללים. לדוגמה, בהתאם לדרישות היישום הספציפי, המתכננים יכולים לבחור מחברים גמישים שטוחים (FFC) בעלי צפיפות גבוהה עבור הרכבה אוטומטית בעלות נמוכה, כבלים מודפסים גמישים (FPC) עם מרווח קו מרכזי קטן כאשר פתרונות חוט-ללוח אינם מעשיים, או מחברי ®USB Type-C המספקים חיבורים קומפקטיים וקלים לשימוש במהירות גבוהה.

מאמר זה סוקר בקצרה את הצרכים של התקני ניטור מטופלים, תוך בחינת חיבורים בתוך ההתקנים, ובין ההתקנים לעולם החיצון. לאחר מכן הוא יציג דוגמאות של מחברי FFC, FPC ו- USB Type-C מבית Molex, תוך זיהוי המאפיינים והיתרונות העיקריים כמו גם היישום הנכון שלהם.

צורכי חיברורי לוח-ללוח

מחברי FFC‏ בשילוב עם מחברי FPC‏ יכולים לתמוך בצרכים של המתכננים עבור מערכות חיברורים בין לוח-ללוח בצפיפות גבוהה ובמהירות גבוהה עבור התקני ניטור מטופלים. בכמה ממחברים אלו ניתן להשתמש בפעולות הרכבה ידניות או רובוטיות כאחד, ויש להם חיבור בצעד-אחד עם מנגנון נעילה-עצמית (איור 1‏).

איור 1‏: בכמה ממחברים אלו ניתן להשתמש בפעולות הרכבה ידניות או רובוטיות כאחד, ויש להם חיבור בצעד-אחד עם מנגנון נעילה-עצמית. (מקור התמונה: Digi-Key Electronics)

במחברי לוח-ללוח FFC ניתן להשתמש לתמיכה בקצב נתונים של עד 40 ג’יגה-הרץ (GHz) והם יכולים לספק עד 80 חיבורים בכמה כיווני פרופיל נמוך, כולל זווית ישרה ואנכית כדי לספק אפשרויות תכנון גמישות. פסיעות החיבור יכולות להיות פחות ממילימטר אחד (מ”מ) כדי לתמוך בתכני מארזים צפופים. קיימים תכנים עם כוח תחיבה אפס (ZIF) וללא ZIF כדי לענות על צורכי יישומים ספציפיים.

כמה מחברי FFC‏ מוגדרים עבור טמפרטורות של עד 150 מעלות צלזיוס (°C), והם מתוכננים עבור שימוש עם מגוון של אפשרויות כבלים כולל כבלי FFC‏ גנריים, כבלי FFC‏ עם נעילה או כבלי FFC‏ מותאמים-במיוחד. מחברים אלה יכולים לעיתים לקבל מחברי FFC סטנדרטיים או מסוככים, והדקי הארקה תומכים בצרכים של פרוטוקולים מהירים כגון איתות דיפרנציאלי במתח נמוך (LVDS). עבור ביצועים מקסימליים יש להשתמש בכבלים מסוככים עם מחברים שלהם הדקים מוארקים.

חיבור התקני ניטור מטופלים לעולם החיצוני

ניטור מטופלים הוא חיוני כדי לאפשר למטפלים להבין כיצד הגוף מגיב לטיפולים על מנת למתן או לתקן את ההשפעות של מחלה או חולי גופני אחר. זה דורש לעיתים להעביר את הנתונים המנוטרים לציוד מחוץ להתקן הניטור.

מחברי USB Type-C‏ יכולים להיות בחירה מצוינת עבור חיבור התקני ניטור מטופלים לציוד חיצוני כגון צגי HDMI‏ ומערכות אחסון נתונים. למחברים אלה יש מערך-פינים סימטרי והפיך התומך בקלות השימוש ובגמישות מכיוון שניתן לחבר אותם בכל אחד משני הכיוונים (איור 2).

איור 2‏: למחברי USB Type-C‏ יש מערך-פינים סימטרי והפיך התומך בקלות שימוש ובגמישות. (מקור התמונה: Digi-Key Electronics)

מחברי USB Type-C‏ נדרשים עבור מימוש פרוטוקולי USB4‏ האחרונים. USB4 מבוסס על ממשק Thunderbolt 3, מאפשר מנהור (Tunneling) של נתוני DisplayPort ו- PCI Express‏ (PCIe), ותומך בקצב נתונים נומינלי של 20 גיגה-ביט לשנייה (Gbits/s) שניתן להגדיל עד Gbits/s‏ 40‏. USB4 כולל אפשרות למספר סוגי התקני קצה כדי לשתף באופן דינמי קישור במהירות גבוהה יחיד הממטב את העברת הנתונים לפי סוג ויישום. כתוצאה מכך, כאשר משתמשים במנהור (Tunneling), קצב הנתונים הנומינלי של Gbit/s‏ 20‏ יכול לגרום לתפוקה יעילה גבוהה יותר בעת שליחת נתונים מעורבים, בהשוואה ל- USB 3.2.

פרוטוקול (PD‏) USB Power Delivery מספק עד 20 וולט, 5 אמפר (A‏) ו- 100 וואט עבור טעינה ושימושים אחרים, כולל יכולות העברת נתונים מורחבות. USB Type-C PD יכול להפחית את זמן טעינת הסוללה בין 40% עד 64%, בהשוואה לקיבולת הטעינה של ‎1.8 A של Micro USB 2.0‏. יכולות ניהול צריכת ההספק ברמת המערכת החכמה והגמישה של USB PD תומכות בהספק דו-כיווני שיכול להחליף כיוון בזמן-אמת ומאפשר תמיכת Type-C‏ עבור תקנים אחרים כגון DisplayPort, HDMI או PCIe.

החלפת תפקידים מהירה (FRS) היא שיפור בגרסה האחרונה של מפרט USB Type-C PD. המתכננים יכולים להשתמש ב- FRS כדי להפחית את הסיכון לאובדן נתונים ולשמור על SI בציוד היקפי USB, כגון התקני ניטור מטופלים, במקרה של הסרה בלתי-צפויה של כבל כוח מרכזת או מתחנת עגינה. FRS ממומש בתוך 150 מיקרו-שניות (µs), ומאפשר לסוללה להפוך למקור ולהתקן האחר להפוך לקולט, תוך שמירה על פעולה רצופה ללא הפרעה. תקשורת הנתונים ממשיכה בכיוון אחד ללא הפרעה, תוך שמירה על פעולת המערכת ומניעת שיבושים, למרות שכיוון מקור הספקת-הכוח התהפך.

שיפור נוסף בביצועים של USB PD תחת USB4 הוא יכולת הספקת-כוח ניתנת-לתכנות (PPS). PPS מאפשר שינויים במתח ובזרם בצעדים קטנים. אם קולט הספק מחובר למקור הספקת כוח בעל יכולת PPS, הוא יכול לבקש שינויים בהספק שמספק המקור. PPS יכול לאפשר טעינה מהירה של סוללות ליתיום-יון ולשפר את נצילות ההספק הכוללת של המערכת, המפחיתים את העומס התרמי ותומכים בצפיפות אריזה גבוהה יותר של המערכת.

מחברי לוח-ללוח עבור התקני ניטור רפואיים

כפי שצוין לעיל, מחברי FFC‏ בשילוב עם מחברי FPC‏ יכולים לתמוך בצרכים של מתכנני התקני ניטור מטופלים עבור מערכות חיברורים בין לוח-ללוח בצפיפות גבוהה ובמהירות גבוהה היכולות לתמוך בהרכבה ידנית או רובוטית. דגם 0541324062‏ מקו המחברים Easy-On FFC/FPC‏ מבית Molex הוא דוגמה טובה. למחבר יש 40 מיקומים עם ציפוי זהב עם פסיעה של 0.50 מילימטר (מ”מ) (איור 3).

איור 3‏: למחבר Easy-On FFC/FPC דגם 0541324062 מבית Molex יש 40 מיקומים עם ציפוי זהב עם פסיעה של 0.50 מ”מ. (מקור התמונה: Molex)

דגם 0541324062 תומך בקצב נתונים של עד Gbits/s‏ 10‏. תחיבת כבל שלמה וחיבור מאובטח ממומשים באמצעות נועל אינרציה פוזיטיבי. חסינות זעזועים ורעידות מובטחת הודות לכוח ריתוק כבל של 20 ניוטון (N‏). לשוניות הלחמה חסונות מספקות החזקת לוח מעגלים מודפסים ומעצור מתיחה (Strain Relief‏).

משמש בשילוב עם מחבר FFC/FPC‏ Easy-On דגם 541324062‏, דגם 0151660431‏ מקו מגשרי FFC‏ Premo-Flex‏ מבית Molex תואם ל- 40 המיקומים ולפסיעה של 0.50 מ”מ של המחבר שאורכו 102.00 מ”מ (איור 4). מערכת חיברורי לוח-ללוח זו יכולה לסייע למתכננים לפתור אתגרים ביישומים מוגבלי-מקום או שקשה להגיע אליהם.

איור 4‏: מגשר

FFC‏ Premo-Flex‏ 0151660431‏ מבית Molex עם פסיעה של 0.50 מ”מ שלו 40 מיקומים ואורכו 102.00 מ”מ. (מקור התמונה: Molex)

חברת Molex‏ מציעה מגשרי Premo-Flex במגוון של אורכי כבלים וגודל, פסיעה ועובי של המעגל. מדורגים ל- 105°C, כבלים אלו הם אולטרה- גמישים ועמידים עם חיי כיפוף של 900,000 מחזורים, בהשוואה ל- 6,000 מחזורים עבור מגשרים סטנדרטיים.

שימו לב שכאשר אתם מחברים או מנתקים מגשר FFC ממחבר Easy-On FFC/FPC, חשוב לוודא שכל החיבורים מנותקים מהספקת-הכוח כדי למנוע ניצוצות העלולים לפגוע במגעים. כמו כן, בעת פתיחה או סגירה של מפעיל (Actuator) הנעילה, יש להפעיל כוח על שני צידי המפעיל. הפעלת כוח על צד אחד בלבד עלולה לגרום לנזק למחבר. לבסוף, כאשר מכניסים את הכבל הגמיש למחבר, לא אמור להיות כוח משיכה או מתיחה על הכבל. אחרת, ייתכן שהמפעיל לא יינעל כהלכה, והכבל עלול להינזק או שהפסים המוליכים יחתכו.

חיבורים חיצוניים למהירות גבוהה

מחברים כגון ה- 1054500101‏ מקו USB Type-C מבית Molex יכולים לתמוך בהעברת נתונים של ניטור מטופלים ללא שיבושים ועם SI גבוה תוך כדי הספקת-כוח להתקנים (איור 5). חברת Molex‏ משתמשת בשלושה תהליכי יציקת תחיבים במחברי ה- USB Type-C שלה כדי לעשות את לשון החיבור מחלק אחד ולהקטין למינימום חדירת מים. הסיכון של הדקים מורמים או מכופפים מוקטן למינימום הודות לשלושה תהליכי יציקת תחיבים נוספים שתןצאתם היא עמידות מכנית גבוהה יותר ואמינות חשמלית גבוהה יותר. מחברים אלה מספקים פיתרון עמיד המדורג ל- 10,000 מחזורי חיבור וניתוק העומדים בניסיונות חיבור לא-תקין ובפגיעות אחרות.

איור 5‏: מחברי USB Type-C‏ כגון ה- 1054500101‏ יכולים לתמוך בהעברת נתונים ללא שיבושים תוך כדי הספקת-כוח להתקני ניטור רפואיים. (מקור התמונה: Molex)

למחברים עם ביצועים עיליים אלו יש:

• קצבי נתונים של עד Gbit/s‏ 40‏ לתמיכה ביישומי רשתות במהירות גבוהה
• תמיכה ברזולוציית 4K‏ לצגים באיכות גבוהה
• סיכוך עבור הגנת EMI/RFI
• מניעת קצרים חשמליים במהלך החיבור הודות לשימוש בתקע מיילר (Mylar) בין הבית למעטה
• ביצועים חשמליים יציבים התומכים בקיבולת זרם גבוהה יותר ובעליות טמפרטורה מינימליות

יכולת ההספק המוגבר ומרווח הפינים הצפוף ביותר במחברי USB Type-C גורמים לכך שהמתכננים צריכים להיות מודעים לסכנות פוטנציאליות לבטיחות ולאש במקרה של בריחה תרמית. בתנאים רגילים, כללי הספקת-הכוח של ה- USB PD מבטיחים פעולה בטוחה. עם זאת, נזק למחבר או לכבל יכול להוביל לפעולה מחוץ לאזור הבטוח. התקני הגנה מפני זרם-יתר וטמפרטורת-יתר נכללים לעיתים בתכני מחברי כבלים USB Type-C‏ כדי להקטין את הפוטנציאל לבריחה תרמית.

לזוגות דיפרנציאליים SuperSpeed לשידור בכבלי USB Type-C יש אימפדנס דיפרנציאלי של 90 אוהם (Ω). תכנים המשתמשים באופן חלופי חייבים להיות מסוגלים להתמודד גם עם 90‎ Ω.

סיכום

ככל שהצורך בניטור מטופלים עולה, המתכננים של מערכות כאלה זקוקים למחברים ולכבלי חיברורים ומגשרים נלווים היכולים להעביר באופן אמין מספר סוגים של נתונים במהירות גבוהה, כמו גם אותות בקרה והספקת-כוח, אל המטופל וממנו. על החיבורים להתבצע לעיתים בתנאי מקומות צפופים ובעלות מינימלית, תוך הקפדה על קלות השימוש ועם השפעה מינימלית על נוחות המטופל.

כפי שהוצג, מחברי FFC‏, FPC ו- USB Type-C מתמודדים עם אתגרים אלו באמצעות הרכבה יעילה, SI גבוה ונוחות שימוש רבה יותר. בעזרת השילוב הנכון של מחברים וחיברורים אלה, המתכננים יכולים להתמודד עם המורכבות האינהרנטית של ניטור מטופלים עקב הביצועים החשמליים ואיכות הטיפול.