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高密度电连接器在医疗领域的应用实例

发布时间:2019-08-30 责任编辑:xueqi

【导读】医疗市场对高密度电连接器的需求日益增长,医疗领域连接器不可逆转的趋势是越来越小、越来越轻、更符合人体工程学。这种趋势强力驱动了高密度电连接器的需求增长。
 
这些需求也将面对一系列标准和客户解决方案,但提供正确的解决方案并不像把PIN针装入现有的医疗连接器那么简单。由于国际电工委员会(IEC)的规范和其它地区安全法规的结合,设计不笨重的高密度连接器往往是一项具有挑战性的任务。
 
1 高密度电连接器
 
高密度电连接器是在一个相对较小的连接器体中具有数量庞大的如PIN针的单独触点的连接器。标准连接器和高密度连接器之间没有明显的界限,但是高密度连接器命名通常是在同一壳体尺寸中具有更多数量的接触点来定义的。
 
高密度连接器被设计成比具有相同外壳尺寸的连接器更多的PIN针。
 
2 高密度电连接器需求强劲增长
 
高密度电连接器的增长需求由许多因素驱动,但特别是尺寸、重量和功能要求。部件尺寸和重量长期以来一直是许多军事和航空航天应用中的关键因素,并且由于便携式和患者可穿戴设备的日益普及,连接器现在在医疗市场中变得更加重要。
 
通过增加连接器的接触密度,设计工程师可以在保持相同的尺寸和最大降低额外重量的同时提高性能。采用高密度接触设计还可以防止引脚数太多导致连接器臃肿并操作困难。人性化操作对于配合要求很高的医疗应用尤其重要,例如患者监护和成像设备等。
 
3 医学应用实例:心脏电生理设备
 
高性能,关键设备的医疗应用,如心脏电生理设备,负责分析心脏的电信号和诊断各种类型的心律失常,也需要高密度的电连接器。
 
这种心律失常称之为心房颤动(AFibrilation,AFibrilation,房颤),这是左心房和/或右心房(即心脏两个上腔)的正常心跳异常。AFib会破坏心房和心室(即心脏的两个下腔)之间的正常血流,并增加四至五倍中风的风险,因为它更容易形成血栓。事实上,AFib在血管里由凝块或脂肪斑块沉积引起的缺血性中风中占的比例达到15-20%。仅在美国,就有270万和610万人估计有AFib,预计这一数字随着美国人口老龄化而增加,因为约2%的65岁以下的人和约9%的65岁以上的或更老的人患有AFib。
 
心律失常 (AFib)示意图
 
由于这种疾病的危险性,患者需要及时和准确的诊断和治疗。AFib最常见的诊断过程是医生将导管插入心脏血管。这些导管含有小的、带电极的线,到达心房后可以展开,与心脏组织接触,并绘制一张电脉冲图,从而帮助医生找出心律失常的根源,并能折叠或收缩,可以插入和切除等。
 
一种电生理学导管,在心脏中可展开和伸缩,具有64个电极。
 
为了改善电生理导管在这些进程中所花费的时间,医疗设备设计者需要增加导管电极的数量,通常有两个、三个、四个甚至更多。并且需要高密度连接器,而且不能显著增加设备的尺寸、重量或柔韧性。
 
4 高密度医用连接器的设计挑战
 
由于对高密度电连接器的需求主要来自医疗设备市场,遵守IEC 60601等安全标准至关重要。
 
5 爬电距离和间隙
 
国际医疗设备电气安全标准IEC60601对连接器PIN针之间的爬电距离和间隙有严格的要求。间隙是导体之间的直线距离(或气隙),爬电距离是导体之间的最短表面距离。
 
间隙和爬电距离
 
这些接触间隔要求基于患者保护(MOPP)标准。IEC60601-1规范定义了与心脏直接接触的医疗电子设备,例如电生理导管,作为CF型器械,要求符合两个MOPP(2MOPP)规范,该规范规定了较大的间隙和爬电距离(1MOPP的两倍),以确保患者的安全。
 
符合MOPP(左)和2 MOPP(右)的间隙和爬电距离要求。
 
IEC60601还要求对混合电源和信号电平电压的连接器采取额外的测试,要求在相反极性的电源引脚和暴露的导电表面之间以及电源和信号引脚之间提供额外的空间。
 
6 防触摸的规范要求
 
IEC60601标准的另一项要求是,连接器触点必须是防触摸的(即:防止人员用手指触到电触点)。防触摸验证是通过一个模拟人手指的金属探头来完成的,并符合标准中的尺寸要求。在防触摸测试中,连接器的电触点连接到测试米表的一个极,测试探针连接到另一个极。然后将测试探针从每一个可能的入口角度接触到连接器上。如果在探测过程中不发生连续带电,则认为连接器是符合防触摸的。
 
由IEC定义并设计的模拟人体手指的测试探针被用于测试验证连接器的防触摸特性。
 
7 锁定机制
 
为提高安全性,IEC规定了锁定机制,防止在医疗过程中意外断开。锁定机构通常与电气连接空间相冲突,有多种形式,如按钮锁定(拇指锁存)、扭转锁定(通过旋转锁住)以及流行的推拉锁定系统,推拉锁定系统将闭锁设计集成到咬合结构中,消除了其他选项所需的二次动作,缓解它们所面临的设计挑战。
 
推拉锁定机构设计
 
8 符合IEC60601的连接器
 
一些连接器可以采用简单的方法来应对IEC60601要求的挑战。例如,当接触总数很低时,只需PIN针间隔保持一定距离就可以了。
 
这种客制化连接器直径约一英寸,尺寸符合人体工程学,引脚可多达40个。
 
随着对更多引脚需求的增加,一些设计师使用多个现成可用的连接器更容易地满足IEC的要求。然而,这种解决方案往往会产生一些不良后果。
 
使用多个现成可用的连接器可满足IEC要求,但通常会导致其他设计问题。
 
使用多个现成可用的连接器意味着操作人员应将每个插头正确地装配到其各自的插座上,这样用于防止误配合的物理按键功能有可能被限制,使操作者依赖于标签或者患者依赖具有不同级别的设备处理专业知识的看护者,来实现多个正确匹配的连接,确保它们的安全。随着使用多个连接器,线束也变得更加复杂和笨重,从而留下更多的操作错误隐患和不良后果。
 
9 标准高密度电连接器
 
为了应对更高密度连接器市场日益增长的需求,许多制造商正在开发标准的、现成的高密度连接器解决方案,当连接器需要满足某一特定应用,并且产量有限时,这种解决方案是有效和可行的。
 
然而,标准高密度连接器产品的开发会有的放矢。连接器制造商开发时必须考虑多种特性,来满足广泛的应用需求和预算限制,包括材料、电镀特性、成本、引脚数、爬电距离和间隙、使用寿命、工作电压,以及在同一个LAYOUT中的信号和功率是否相同,或添加类似锁定机构、屏蔽、密封、偏振、颜色编码等特性,并且尽可能提高成本效益高。具有行业前沿思想的成熟的连接器制造商可以成功地利用该策略,但这项策略不是通用万能的。
 
目前正以两种方式应对这一挑战。第一,是开发标准的高密度连接器,采用模块化的接触系统,能够满足与标准部件的各种应用需求。第二,当标准产品仍然不能满足需求时,设计一个基于已有接触系统的定制方案,这既缩短了时间,又减少了投资和风险。
 
标准的高密度连接器
 
这个标准的高密度(79PIN)连接器有一个外径为45毫米的金属外壳、一个螺纹、锁紧联接螺母、一个防水密封圈和1.6mm的爬电/间隙尺寸。它的额定温度为175℃,循环使用寿命高。在评估这一标准连接器时,设计者应该考虑这种非被动螺钉联轴器是否是适用于特定应用的正确的锁定机构。
 
10 客制化高密度电连接器
 
定制连接器通常是高密度应用的最佳解决方案。标准产品很可能包括具体应用不需要的特性,因为在选择标准产品时,必须选择具有所必需特性的连接器,有些特性可能是多余的。例如,标准连接器通常使用能够处理高温、化学腐蚀和各种灭菌过程的昂贵材料制造,并且通常包括满足广泛应用的附加特征,例如密封等级、锁定和更长的循环使用寿命。
 
由于定制解决方案是为满足特定应用需要而设计的,可以剔除不必要的功能、减少额外成本。例如,如果连接器不打算在恶劣、高匹配循环环境中使用,不需要高压灭菌的医疗器械,不需要暴露于化学腐蚀环境,不会有意外断开风险等,则定制解决方案可以使用较便宜的材料来制造,并且不增加密封和锁定特性等。
 
还有其它的优点。在符合IEC60601要求的医疗应用中,可以设计客制解决方案,设计满足应用要求的爬电距离和间隙,而不浪费板端空间或冒不符合要求的风险。因此,客制化连接器通常提供更小,符合人体工程学的,成本效益更高的解决方案。
 
11 高密度连接器未来发展演变
 
随着对高密度连接器的需求强劲增加,具有组合或混合功能的标准和客制化解决方案的产品需求也将继续增加。将电源引脚和低压引脚结合在一起的高密度连接器,集成照明或数据传输的光纤连接器,或采用流体或气动连接进行盐水冲洗、吸入或充气功能的连接器等,已经进入市场,并将日益普及。
 
新型的标准高密度连接器
 
这种新型的标准高密度连接器在直径小于18mm的圆形塑料壳体中集合了128个低压触点和7个电源引脚,以及先进的无源锁定系统,提供了尺寸、重量、安全性、和其它性能优点,非常适合在各种苛刻的应用中使用。
 
混合高密度连接器的不断扩大的特性支持更先进的创新产品开发。不久,可以将诊断和治疗功能(例如,心电图、压力传感、成像功能、支架植入等)结合在同一个连接器上。
 
高密度连接器将继续发展,产品的趋势将迈向小型化、高精度和混合功能等。随着这些产品技术的逐步实现。工程师们肯定会开发新的连接技术,实现接触密度、尺寸、重量、性能和功能的进一步改善和提高,并进一步保证产品的可靠性和安全性。标准和客制化解决方案将极大满足高密度电连接器在医疗市场需求日益强劲的增长。
 
来源:深圳市连接器行业协会
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