ข้อควรพิจารณาห้าประการในการกำหนดคอนเนคเตอร์สำหรับการใช้งานทางการแพทย์

นักออกแบบอุปกรณ์และระบบทางการแพทย์ต้องการตัวเชื่อมต่อที่จะช่วยจัดการกับความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นและปัจจัยรูปแบบที่เล็กลง ในขณะเดียวกันก็รับประกันความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพในระดับสูงภายใต้รูปแบบการใช้งานที่หลากหลาย ตัวเชื่อมต่อบางตัวไม่สามารถเข้าถึงได้ภายในระบบ ทำให้ความน่าเชื่อถือมีความสำคัญ ตัวเชื่อมต่ออื่น ๆ มักถูกใช้โดยศัลยแพทย์ แพทย์ พยาบาล หรือช่างเทคนิค ดังนั้นการใช้งานง่ายและจำนวนรอบการ mating ที่สูงจึงมีความสำคัญเช่นกัน

ตัวเชื่อมต่อสำหรับอุปกรณ์และระบบทางการแพทย์ต้องเป็นไปตามมาตรฐาน เช่น IEC 60601, ISO 80369-1 และ ISO 13485 และอาจต้องมีการทดสอบด้านสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงเกินกว่ามาตรฐานและข้อกำหนดทั่วไปของอุตสาหกรรม

นอกจากรูปแบบที่ใช้งานได้และมาตรฐานเฉพาะแล้ว นักออกแบบยังต้องพิจารณาถึงการแลกเปลี่ยนทางเทคนิคระหว่าง non-return-to-zero (NRZ) หรือที่เรียกว่าการปรับความกว้างพัลส์ 2 ระดับ (PAM2) และการมอดูเลตความกว้างของพัลส์ 4 ระดับ (PAM4) เทคโนโลยีเพื่อให้ได้ต้นทุนและประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกรณีการใช้งานเฉพาะ

นักออกแบบมีตัวเชื่อมต่อหลายประเภทที่ต้องพิจารณาเมื่อระบุโซลูชันที่ดีที่สุด เพื่อช่วยในกระบวนการ บทความนี้เริ่มต้นโดยทบทวนปัจจัยสำคัญ 5 ประการที่คุณควรคำนึงถึงเมื่อระบุขั้วต่อสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์โดยสังเขป จากนั้นจะนำเสนอตัวอย่างตัวเลือกตัวเชื่อมต่อจาก Samtec และปิดด้วยภาพรวมของข้อควรพิจารณาในการใช้งานเมื่อรวมตัวเชื่อมต่อในระบบความเร็วสูง

NRZ กับ PAM4

NRZ ส่งข้อมูล 1 บิตต่อช่วงสัญญาณ PAM4 เป็นรูปแบบการมอดูเลตสัญญาณหลายระดับที่มีปริมาณงาน 2 บิตต่อช่วง ในตา NRZ ด้านบนแทน "1" และด้านล่างแทน "0" ในขณะที่สัญญาณ PAM4 ประกอบด้วยตาซ้อนสามตาที่เกิดขึ้นโดยใช้ระดับแรงดันไฟฟ้าสี่ระดับ 00, 01, 10 และ 11 (รูปที่ 1) ความสูงของดวงตาเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญ ความสูงของดวงตาที่มากขึ้นของสัญญาณ NRZ ส่งผลให้คุณภาพของสัญญาณดีขึ้น NRZ ใช้งานได้ง่ายกว่า มีการสะท้อนน้อยกว่า มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ที่ดีกว่า และมีต้นทุนต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ PAM4 อย่างไรก็ตาม PAM4 นั้นเร็วกว่าโดยเนื้อแท้และใช้ในลิงก์ความเร็วสูง เช่น การสื่อสารแบบหลายกิกะบิต

รูปที่ 1: NRZ มีตาข้างเดียว (ซ้าย) และส่งข้อมูล 1 บิตต่อช่วงสัญญาณ PAM4 เป็นรูปแบบการปรับสัญญาณหลายระดับที่มีสามตา (ขวา) และมีอัตราความเร็ว 2 บิตต่อช่วง (ที่มาของภาพ: Samtec)

ข้อควรพิจารณาทางกล

ข้อควรพิจารณาทางกลเมื่อเลือกคอนเนคเตอร์ ได้แก่ ระยะพิทช์ของหน้าสัมผัส ประเภทการ mating รูปแบบการสิ้นสุด และขนาด (รูปที่ 2) Pitch วัดระยะห่างจากกึ่งกลางถึงกึ่งกลางของหน้าสัมผัส สามารถมีได้มากกว่าหนึ่งหมายเลข ระยะห่างระหว่างผู้ติดต่อในแต่ละแถวและระยะห่างระหว่างแถวสามารถเหมือนกันหรือต่างกันได้ ขั้วต่อบนแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) สามารถใช้การ mating ในแนวนอน แนวตั้ง หรือมุมขวา แรงยึดถือเป็นอีกหนึ่งข้อพิจารณาที่วัดว่าสามารถถอดขั้วต่อได้ง่ายเพียงใด

รูปที่ 2: ระยะพิทช์ของหน้าสัมผัส การสิ้นสุด และขนาดต่าง ๆ ที่มีให้เลือกมากมาย (ที่มาของภาพ: Samtec)

รูปแบบการสิ้นสุดทั่วไป ได้แก่ รูทะลุ ตัวยึดพื้นผิว การวางในรู และแบบกดพอดี หน้าสัมผัสรูทะลุทะลุผ่านรูในบอร์ดพีซี และให้การเชื่อมต่อที่แน่นหนาระหว่างชั้นบอร์ดพีซี คอนเน็กเตอร์แบบยึดบนพื้นผิวจะติดบนพื้นผิวของบอร์ดพีซีและไม่ต้องเจาะรู สามารถมีระยะพิทช์ที่เล็กกว่าเมื่อเทียบกับคอนเนคเตอร์รูทะลุ การสิ้นสุดรูแม้ว่ารูจะถูกแทนที่ด้วยการสิ้นสุดการติดตั้งบนพื้นผิวในการใช้งานจำนวนมากขึ้นเรื่อย ๆ

คอนเนคเตอร์แบบ Paste-in-hole ติดตั้งอยู่ในรูที่ไม่ทะลุผ่านบอร์ดพีซีจนหมด เพื่อใช้สำหรับการออกแบบยึดบนพื้นผิวหรือแบบแปะในรู วัสดุของตัวเชื่อมต่อจะต้องสามารถทนต่ออุณหภูมิการไหลย้อนของบัดกรี และต้องมีระยะห่างในแนวนอนและแนวตั้งรอบๆ ตะกั่ว เพื่อรองรับปริมาณการวางบัดกรีที่ต้องการ

การต่อปลายแบบกดพอดีไม่มีการเชื่อมประสานและมีต้นทุนต่ำกว่า แต่ต้องใช้เครื่องมือพิเศษสำหรับการติดตั้ง พวกเขาถูกกดลงในรูบนบอร์ดพีซีและยึดเข้าที่ด้วยแรงอัด รูปแบบการสิ้นสุดที่พบไม่บ่อย ได้แก่ อาร์เรย์กริดภาคพื้นดิน, อาร์เรย์กริดแบบลูก, การพันลวด, การจีบ และการสิ้นสุดด้วยสกรู

สะดวกในการใช้

ความต้านทานการสัมผัส รอบการ mating และแรง mating/การไม่ mating ช่วยให้ตัวเชื่อมต่อใช้งานง่ายในการใช้งานที่จำเป็นต้องเชื่อมต่อและถอดตัวเชื่อมต่ออย่างสม่ำเสมอ ยิ่งความต้านทานการสัมผัสต่ำเท่าใด พลังงานที่สูญเสียผ่านตัวเชื่อมต่อก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น แรงในการ mating/การไม่ mating ที่ต่ำอาจส่งผลให้ใช้งานง่าย ตราบใดที่ความต้านทานการสัมผัสยังคงต่ำพอที่จะตอบสนองความต้องการทางไฟฟ้า ตัวเชื่อมต่อมีข้อกำหนดรอบการ mating/การไม่ mating ที่จำกัด ตั้งแต่หลายสิบรอบไปจนถึงหลายพันรอบ อายุการใช้งานของตัวเชื่อมต่อต้องตรงกับความต้องการของแอปพลิเคชัน

เมื่อหน้าสัมผัสคอนเนคเตอร์ถูกจับคู่ หน้าสัมผัสจะถูกแทนที่ และโลหะจะโค้งงอ การงอเป็นสิ่งสำคัญและเป็นตัวกำหนดแรงที่จำเป็นในการเชื่อมต่อและปลดการเชื่อมต่อ และความต้านทานการสัมผัส การงอยังทำให้เกิดความเครียดในหน้าสัมผัสซึ่งส่งผลให้ทั้งแรง mating/การไม่ mating ลดลงและความต้านทานการสัมผัสเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป การเปลี่ยนโลหะฐานทองเหลืองที่ใช้กันทั่วไปในคอนเนคเตอร์คอนเนคเตอร์ด้วยฟอสเฟอร์บรอนซ์ที่มีราคาแพงกว่าจะช่วยเพิ่มอายุการใช้งานของวงจร ฟอสเฟอร์บรอนซ์มีความยืดหยุ่นมากกว่าทองเหลืองและไวต่อความเครียดน้อยกว่าซึ่งจำกัดอายุการใช้งานของหน้าสัมผัสบรอนซ์

IEC 60601, ISO 80369-1 และ ISO 13485

มีมาตรฐานอุตสาหกรรมเฉพาะแอปพลิเคชันมากมายสำหรับระบบและอุปกรณ์ทางการแพทย์ต่าง ๆ มาตรฐานทั่วไปสามประการที่ต้องพิจารณาในการออกแบบทั้งหมด ได้แก่

• ISO 80369-1: มุ่งเน้นที่วิธีการออกแบบเพื่อลดความเสี่ยงของการเชื่อมต่อที่ผิดพลาดระหว่างอุปกรณ์ทางการแพทย์หรือระหว่างอุปกรณ์เสริมสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน
• IEC 60601 มุ่งเน้นไปที่ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับความปลอดภัยขั้นพื้นฐานและประสิทธิภาพที่จำเป็น รวมถึงการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC)
• ISO 13485 มุ่งเน้นไปที่ระบบคุณภาพที่จำเป็นสำหรับการติดตามส่วนประกอบและกระบวนการที่ใช้ในกระบวนการผลิต มันเกี่ยวข้องกับ ISO-9001

การทดสอบที่เหนือกว่ามาตรฐานอุตสาหกรรม

การทดสอบสภาพแวดล้อมที่รุนแรง (SET) เป็นชุดการทดสอบที่พัฒนาโดย Samtec ซึ่งขยายเกินมาตรฐานและข้อกำหนดทั่วไปของอุตสาหกรรมทั่วไป และรวมถึง:

• 250 รอบการ mating ที่มีความชื้น 100%
• การกระแทกและการสั่นสะเทือนอย่างเข้มข้นตามการต้านทานการสัมผัสระดับต่ำ (LLCR) และการตรวจจับเหตุการณ์
  • การทดสอบ LLCR โดยใช้แรงโน้มถ่วงมาตรฐาน 40 เท่า (g) สูงสุด 11 มิลลิวินาที (มิลลิวินาที) ฮาล์ฟไซน์และ 12 กรัม RMS 5 – 2000 เฮิรตซ์ (Hz) 1 ชั่วโมง/แกน
  • การตรวจจับเหตุการณ์ตาม EIA-364-87, EIA-364-27 และ EIA-364-28 โดยใช้ขั้นตอนการทดสอบเดียวกันกับการทดสอบ LLCR
• 500 รอบอุณหภูมิ
• การทดสอบอุณหภูมิที่ไม่ใช่ระดับปฏิบัติการโดยที่ตัวเชื่อมต่อได้รับการทดสอบ LLCR ที่ -55 ถึง 105°C เป็นเวลา 100 รอบ จากนั้นจึงทดสอบสำหรับ LLCR อีกครั้ง สัมผัสกับ -65 ถึง 125°C เป็นเวลา 100 รอบ และทดสอบสำหรับ LLCR อีกครั้ง คอนเนคเตอร์ต้องคงค่าการเปลี่ยนแปลง ≤5 มิลลิโอห์ม (mΩ) ใน LLCR จึงจะผ่าน
• อิเล็กทริกที่ทนต่อแรงดันไฟฟ้าที่ระดับความสูง 70,000 ฟุต
• การทดสอบการคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) มักจะไม่ดำเนินการกับขั้วต่อ แต่จะรวมอยู่ใน SET

ตัวเชื่อมต่อที่จัดการรอบการ mating 10,000 รอบ

นักออกแบบที่ต้องการรอบการ mating มากถึง 10,000 รอบสามารถเปลี่ยนเป็นของ Samtec ซีรีส์ TFM และ SFM สมาชิกของระบบเชื่อมต่อระหว่างกันของ Tiger Eye ของบริษัท ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้ออกแบบมาสำหรับการใช้งานขนาดเล็ก ทนทาน เชื่อถือได้สูง รอบสูงและมีให้เลือกสามระดับ 0.80, 1.27 และ 2.00 มม. (มม.) คอนเนคเตอร์เหล่านี้มีหน้าสัมผัสหลายนิ้วที่ผ่านการอบชุบด้วยความร้อนและทองแดงเบริลเลียม (BeCu) ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานรอบสูงและได้รับการออกแบบสำหรับสภาพแวดล้อมที่ต้องใช้งานอย่างหนัก (รูปที่ 3) ตัวอย่างเช่น รุ่น TFM-105-01-SDA เป็นเฮดเดอร์ 10 ตำแหน่ง ระยะพิทช์ของหน้าสัมผัส 1.27 มม.

รูปที่ 3: การเชื่อมต่อระหว่างกันของ Tiger Eye (ซ้าย) มีให้ในหลากหลายรูปแบบและขนาด และมีระบบการติดต่อที่ทนทานซึ่งมีคะแนนถึง 10,000 รอบการ mating TFM-105-01-SDA (ขวา) เป็นส่วนหัว 10 ตำแหน่งที่มีระยะพิทช์ของหน้าสัมผัส 1.27 มม. (ที่มาของภาพ: Samtec)

พื้นผิวการ mating ที่สัมผัสเรียบไม่ทำให้เกิดความเครียดต่อการชุบ ทำให้มีความต้านทานการสัมผัสที่ต่ำกว่า อายุการใช้งานการชุบที่ยาวนานขึ้น และอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น บัดกรีสามารถเจาะช่องไมโครบนส่วนท้ายได้อย่างง่ายดาย ทำให้มีความแข็งแรงของรอยต่อประสานที่มากขึ้น ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้มีโพลาไรซ์เพื่อรับประกันการจับคู่ที่เหมาะสม และตัวล็อคแบบเสียดทานเสริมช่วยเพิ่มความปลอดภัยในการเชื่อมต่อ

ตัวเชื่อมต่อความเร็วสูงที่มีความหนาแน่นสูง

แอปพลิเคชันที่ต้องการความเร็วสูงและความหนาแน่นสูงสามารถใช้ SEARAY 1.27 mm อาร์เรย์ของ Samtec แบบกดพอดีฟิลด์แบบเปิดพิน ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้มีหน้าสัมผัสมากถึง 500 หน้าปรับให้เหมาะสมเพื่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ และมีตัวเลือกการติดตั้งในแนวตั้งหรือมุมขวา (รูปที่ 4) ระบบนี้มีมากถึง 10 แถวและ 50 รายชื่อต่อแถวเพื่อให้มีความยืดหยุ่นในการต่อสายดินและการกำหนดเส้นทาง ความสูงของปึกกระดาษให้เลือก 7 มม. 8 มม. 8.5 มม. และ 9.5 มม. และสามารถรองรับสัญญาณได้ถึง 28 กิกะบิตต่อวินาที (Gbits/s) ตัวอย่างเช่น หมายเลขอุปกรณ์ SEAFP-40-05.0-S-06 คือการออกแบบตัวยึดแนวตั้งที่มีหน้าสัมผัส 240 จุดและปลายรูทะลุ

รูปที่ 4: SEARAY 1.27 มม. อาร์เรย์การกดพอดีฟิลด์แบบพินที่มีความหนาแน่นสูงมีให้เลือกในแนวตั้งและมุมขวา (แสดงด้านบน) (ที่มาของภาพ: Samtec)

ตัวเชื่อมต่อสำหรับ PAM4 หรือ NRZ

การใช้งานที่ต้องการความหนาแน่นของการสัมผัสที่สูงขึ้นและความเร็วมากกว่า 28 Gbits/s สามารถใช้ 56 Gbit/s SEARAY ซีรี่ส์ได้ ระยะพิทช์ 0.8 มม. ให้ความหนาแน่นสัมผัสสองเท่าของคอนเนคเตอร์ที่มีระยะพิทช์ 1.27 มม. มีจำหน่ายที่ความสูงกอง 7 มม. และ 10 มม. และสามารถรองรับการสื่อสาร PAM4 หรือ NRZ ได้ การกำหนดค่าสามารถใช้ได้กับผู้ติดต่อสูงสุด 12 แถว 60 ราย รวมเป็น 720 อาร์เรย์แบบ open-pin-field เหล่านี้ให้ความยืดหยุ่นในการต่อสายดินและการกำหนดเส้นทางสูงสุด รวมถึงคู่สัญญาณที่แตกต่างกัน การส่งสัญญาณแบบปลายเดียว และการจ่ายพลังงาน (รูปที่ 5) หมายเลขอุปกรณ์ SEAF8-20-05.0-S-04-2-K มีหน้าสัมผัสเคลือบทอง 80 ตัวและขั้วต่อแบบยึดกับพื้นผิว ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้ผ่านการรับรองจาก SET

รูปที่ 5: อาร์เรย์ open-pin-field ความหนาแน่นสูงของ SEARAY ให้ความยืดหยุ่นในการต่อสายดินและการกำหนดเส้นทางสูงสุด รวมถึงคู่สัญญาณที่แตกต่างกัน การส่งสัญญาณแบบปลายเดียว และการจ่ายพลังงาน (ภาพ: Samtec)

ข้อควรพิจารณาในการใช้งานตัวเชื่อมต่อความเร็วสูง

เมื่อใช้ตัวเชื่อมต่อความเร็วสูงในแอปพลิเคชันทางการแพทย์ มีหลายปัจจัยที่นักออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาเกี่ยวกับความสมบูรณ์ของสัญญาณและ EMI ข้อควรพิจารณาบางประการ ได้แก่:

• สั้นลงจะดีกว่า ขั้วต่อที่สั้นกว่าให้คุณภาพสัญญาณที่ดีขึ้น ยิ่งขั้วต่อสั้นเท่าใด เวลาที่ใช้สำหรับการสะท้อนและการครอสทอล์คก็สั้นลงเท่านั้น
• อัตราส่วนสัญญาณต่อกราวด์มีความสำคัญ ในกรณีส่วนใหญ่ อัตราส่วน 1:1 เหมาะสมที่สุด แต่สำหรับตัวเชื่อมต่อที่มีจำนวนพินจำนวนมาก อาจจำเป็นต้องใช้อัตราส่วนน้อยกว่า 1:1 สำหรับการทำงานแบบปลายเดียวความเร็วสูงที่เชื่อถือได้
• แนะนำให้ใช้การป้องกันกราวด์ของคู่คอนแทคสำหรับคอนเนคเตอร์ส่วนต่างที่มีสัญญาณ 2.5 Gbits/s หรือเร็วกว่า
• การไม่ตรงแนวอาจเป็นปัญหาสำคัญบนบอร์ดพีซีที่มีขั้วต่อหลายตัว ปฏิบัติตามข้อกำหนดในการเชื่อมต่อปลายสายที่แนะนำของผู้ผลิตอย่างใกล้ชิด และคงความคลาดเคลื่อนของเส้นผ่านศูนย์กลางรูเข็มของการจัดตำแหน่งไว้ที่ ±0.002 นิ้ว (0.05 มม.)
• EMI ไม่ได้เป็นเพียงปัญหาบอร์ดพีซี ตัวเชื่อมต่อแบบบอร์ดต่อบอร์ดสามารถนำไปสู่ข้อกังวลของ EMI และจำเป็นต้องได้รับการพิจารณาตั้งแต่เริ่มต้นโดยเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบโดยรวม

สรุป

การเลือกตัวเชื่อมต่อสำหรับระบบการแพทย์เป็นกิจกรรมที่สำคัญและซับซ้อน ตัวเชื่อมต่อต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านความทนทาน ความน่าเชื่อถือ และความสะดวกในการใช้งาน นอกเหนือจากการปฏิบัติตามข้อกำหนดทางไฟฟ้าและโปรโตคอลการสื่อสารที่รองรับ เช่น NRZ และ PAM4 การปฏิบัติตามมาตรฐานอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องเป็นสิ่งสำคัญ แต่การทดสอบที่อยู่นอกเหนือบรรทัดฐานของอุตสาหกรรม เช่น กับอุปกรณ์ Samtec ที่กล่าวถึงในที่นี้ มักจะมีความจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพระดับสูงที่คาดหวังจากตัวเชื่อมต่อในอุปกรณ์และระบบทางการแพทย์

บทความแนะนำ

1. Secure-by-Design Medical IoT และอุปกรณ์สวมใส่
2. วิธีการเลือกและใช้ส่วนประกอบที่เหมาะสมในการปกป้องอุปกรณ์ทางการแพทย์ ผู้ใช้ และผู้ป่วย
3. วิธีการใช้สัญญาณเตือนภัยอย่างถูกต้องในการตรวจสอบทางการแพทย์