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Connettori board-to-board nella tecnologia medica

Connettori board-to-board nella tecnologia medica

I contatti giusti nel settore della tecnologia medica

Nel settore della tecnologia medica, i dispositivi MedTech interconnessi dotati di un numero sempre maggiore di sensori intelligenti domineranno il panorama. Normative rigorose e la massima protezione contro i guasti indicano la strada che i prodotti e i componenti utilizzati devono seguire. Miniaturizzazione, velocità di trasmissione dati e radiazioni elettromagnetiche sono i requisiti specifici a cui sono soggetti i connettori board-to-board. Per lo sviluppatore hardware, questi sono criteri che influenzano in modo determinante la progettazione del dispositivo.
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Attualmente i pazienti devono ancora adattarsi alle strutture del sistema sanitario. Già dal 2025 – secondo le previsioni di Deloitte – l’assistenza sanitaria sarà orientata esattamente al contrario, in base ai pazienti, al luogo in cui si trovano e alle loro esigenze temporali. Il passaggio a questa “medicina 4P” (predictive, preventative, personalized, participatory) è favorito da numerose innovazioni digitali.

Questo cambiamento di paradigma avrà ripercussioni anche sui produttori di dispositivi medici: il numero di sensori intelligenti aumenterà grazie alla connessione dei dispositivi nell’Internet of Medical Things (IoMT). Nell’assistenza ai pazienti il comfort migliorerà, ad esempio tramite connessioni wireless alla cartella clinica elettronica e la trasmissione in tempo reale dei parametri vitali. Con la data analytics, i metodi cognitivi e la robotica si aprono ulteriori ambiti di potenziale nel settore sanitario.

Velocità elevata e compatibilità elettromagnetica al centro dell'attenzione nei dispositivi medici

I sistemi di imaging medico, quali scanner TC, apparecchiature per la risonanza magnetica e apparecchiature radiografiche digitali, elaborano fino a 20 Gbit/s di dati relativi alle immagini e ai pazienti in tempo reale. Lo stesso vale per le applicazioni di telemedicina e monitoraggio a distanza. Anche nella robotica chirurgica è richiesta la trasmissione in tempo reale di immagini e comandi di controllo tra la console del chirurgo e il sistema robotico. L'endoscopia ad alta risoluzione, i dispositivi impiantabili e i sistemi di monitoraggio dei pazienti sono ulteriori settori che si affidano alla trasmissione dei dati, ma che attribuiscono grande importanza anche agli aspetti di progettazione EMC per l'immunità alle interferenze e la sicurezza dei pazienti. 

Tendenze consolidate, come l’aumento dei sensori multisorgente e dei sistemi complessivi sempre più interconnessi, richiedono una trasmissione dei dati veloce, affidabile e sicura attraverso diverse interfacce – un requisito che vale in particolare per i dispositivi MedTech. In questo contesto, l’integrità del segnale gioca un ruolo decisivo, in cui dati altamente precisi e affidabili prevalgono nelle applicazioni. Correnti costanti e dati accurati sono indispensabili per garantire la sicurezza, l'affidabilità e l'efficienza funzionale dei dispositivi. Elevate velocità di trasmissione, talvolta su grandi distanze, possono compromettere i segnali elettrici a causa di disturbi quali rumore, perdite di retroazione, distorsioni e diafonia, al punto da causare errori e guasti ai dispositivi. 

Conformità alle norme industriali pertinenti

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Fig. 2: Un vecchio connettore DIN della serie D con passo da 5,08 mm e, sotto, il nuovo Zero8 con passo da 0,8 mm
Nel rispetto dei requisiti normativi, quali il Regolamento sui dispositivi medici (MDR) nell'Unione Europea o le norme della Food and Drug Administration (FDA) negli Stati Uniti, è necessario garantire l'omologazione e l'uso sicuro dei dispositivi. Inoltre, la tendenza tra tutti i progettisti hardware è quella di utilizzare in modo ancora più efficiente lo spazio di installazione sempre più ridotto nei dispositivi medici, mentre le sollecitazioni a cui sono sottoposti i dispositivi in termini di urti, vibrazioni e oscillazioni, nonché gli influssi ambientali termici e chimici, continuano a richiedere la robustezza di tutti i dispositivi.

Esistono inoltre tre norme industriali mirate e specifiche per le applicazioni relative ai dispositivi MedTech che devono essere prese in considerazione in tutti i progetti. In primo luogo, la norma ISO 80369-1, che riguarda la metodologia di progettazione per ridurre il rischio di collegamenti errati di dispositivi medici o accessori. In secondo luogo, la norma IEC 60601, che descrive i requisiti generali di sicurezza di base e le caratteristiche prestazionali essenziali, comprese le interferenze elettromagnetiche (EMI) e la compatibilità elettromagnetica (EMC). In terzo luogo, la norma ISO 13485, che si riferisce ai sistemi di qualità responsabili della tracciabilità dei componenti e dei processi utilizzati nel processo di produzione. 

Connettori board-to-board come trasmettitori di segnale

Con la crescente complessità e densità di integrazione nei dispositivi medici, e la necessità di integrare funzionalità esistenti e nuove in spazi estremamente ristretti, i requisiti per i connettori board-to-board – che fungono da ponte tra i circuiti stampati – sono estremamente elevati. I più svariati ambienti e condizioni operative sottopongono i dispositivi a vibrazioni e urti. I connettori devono garantire la sicurezza dei contatti a lungo termine anche in presenza di micro-movimenti. Robustezza, trasmissione dei dati e schermatura EMC sono i tre pilastri fondamentali nella progettazione meccanica dei dispositivi per gli sviluppatori hardware.

I connettori di ultima generazione devono ridurre al minimo le interferenze nella trasmissione del segnale e il design dei contatti dei connettori deve essere perfettamente adattato a questo scopo. Pertanto, l'obiettivo è sempre quello di evitare i rischi nella trasmissione dei dati, che includono principalmente le fluttuazioni di impedenza dovute a cambiamenti nei materiali e nella geometria, nonché l'attenuazione causata dalla perdita di inserzione e dalla perdita di ritorno, oltre alla diafonia.

La protezione del segnale come base

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Fig. 3: Disturbi sul segnale nel connettore schermato (a sinistra) e non schermato (a destra).
Per quanto riguarda le interferenze elettromagnetiche, i segnali ad alta velocità richiedono una protezione specifica. Un connettore può fungere sia da fonte di interferenza che da dissipatore. In questo caso è consigliabile proteggere il segnale mediante una lamiera schermata, al fine di preservare i segnali sensibili dalle interferenze esterne. L'immagine sottostante dimostra come anche un piccolo impulso elettrico possa alterare il segnale utile. 
Il ricevitore non è più in grado di interpretare in modo univoco gli stati digitali del segnale HDMI già dopo un breve impulso di 0,5 kV, mentre la trasmissione del segnale attraverso il connettore schermato rimane stabile anche a 4,4 kV.

L'induttanza di accoppiamento LK descrive il connettore in base alle caratteristiche elettriche in entrambe le funzioni: sorgente e carico. Ciò vale sia per l'immunità che per l'emissione di disturbi. Se la tensione indotta (Uind), la tensione del generatore (UGen) e la costante del generatore (kGen) sono note, l'induttanza di accoppiamento massima ammissibile specifica (LK) può essere determinata con questa equazione:

LK = Uind / (UGen * kGen) (Eq. 1)

L'induttanza di accoppiamento aiuta inoltre l'utente a definire il connettore adeguato in termini di compatibilità elettromagnetica ed a evitare costose e lunghe prove per tentativi nel laboratorio EMC. Ad esempio, per un segnale HDMI a una tensione di 4,4 kV è stata determinata un’induttanza di accoppiamento massima specifica per il caso di 47 pH. Se il valore è superiore, il segnale non viene più trasmesso senza disturbi.

Appositamente progettato per applicazioni industriali esigenti

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Fig. 4: zero8 nella versione non schermata (a sinistra) e schermata (a destra).
La famiglia di prodotti zero8 di ept è stata progettata per soddisfare questi elevati requisiti nel settore della tecnologia medica e, grazie alla sua elevata scalabilità, offre un adattamento ideale alle esigenze individuali: le forme costruttive, l’altezza di impilamento e il numero di poli possono essere selezionati in modo personalizzato. Attualmente, i connettori maschio e femmina sono disponibili nelle versioni Mid-Profile e Low-Profile, mentre in futuro saranno disponibili anche nelle versioni High-Profile e angolari. Grazie alle diverse altezze di montaggio, i connettori Zero8 consentono di realizzare distanze tra i circuiti stampati comprese tra 6,00 mm e 21,00 mm, con un numero di poli variabile da dodici a 80. Ai fini della schermatura, è possibile dotare entrambi i lati della coppia di connettori di una protezione; naturalmente, tutti i connettori Zero8 sono compatibili tra loro e liberamente combinabili. 

La tecnologia di connessione bifacciale ScaleX resiste alle condizioni estreme delle applicazioni industriali e garantisce un contatto sicuro anche in presenza di urti e vibrazioni. Inoltre, compensa le tolleranze dei dispositivi in tutte le direzioni quando i connettori sono inseriti. Grazie alla schermatura EMC, i segnali in ambiente industriale sono protetti da influenze esterne e la composizione dei materiali garantisce una velocità di trasmissione dati fino a 16 Gbit/s.

Maggiori informazioni su Zero8 »
Non bisogna sottovalutare l'importanza di scegliere il connettore giusto per un'applicazione ad alta velocità. Come descritto qui, soprattutto nel settore medico-tecnologico, coesistono molti requisiti contemporaneamente. Quali caratteristiche meccaniche o elettriche devono soddisfare i connettori board-to-board o come sono progettate le periferiche di connessione del connettore: si tratta di questioni di dettaglio molto precise che, da pin a pin, possono essere decisive nella scelta. 

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