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conector «board-to-board» en la tecnología médica

conector «board-to-board» en la tecnología médica

Los contactos adecuados en el sector de la tecnología médica

En el sector de la tecnología médica, los dispositivos MedTech conectados, equipados con un número cada vez mayor de sensores inteligentes, dominarán el panorama. Las normativas más estrictas y la máxima protección contra fallos marcan el camino que deben seguir los productos y componentes utilizados. La miniaturización, la velocidad de transmisión de datos y la radiación electromagnética son, explícitamente, los requisitos a los que están sujetos los conector «board-to-board». Para el desarrollador de hardware, estos son criterios que influyen de manera decisiva en el diseño del dispositivo.
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Hoy en día, los pacientes aún deben adaptarse a las estructuras del sistema sanitario. Mañana —y las previsiones de Deloitte se refieren al año 2025— la asistencia sanitaria se orientará precisamente a la inversa, es decir, hacia los pacientes, su ubicación y sus disponibilidades horarias. El paso hacia esta «medicina 4P» (predictiva, preventiva, personalizada y participativa) se ve favorecido por numerosas innovaciones digitales.

Este cambio de paradigma se hará patente entre los fabricantes de dispositivos médicos. El número de sensores inteligentes aumenta con la conexión de los productos en el Internet de las Cosas Médicas (IoMT). En la atención al paciente aumenta la comodidad, por ejemplo, gracias a las conexiones inalámbricas con la historia clínica electrónica, así como a la transmisión y monitorización de los parámetros vitales en tiempo real. El análisis de datos, los métodos cognitivos y la robótica abren nuevos campos de potencial en el sector sanitario.

La alta velocidad y la CEM, en el punto de mira de la tecnología médica

Los sistemas de imagen médica, como los escáneres de TC, los equipos de RM y los equipos de rayos X digitales, procesan hasta 20 Gbit/s de datos de imágenes y de pacientes en tiempo real. Lo mismo ocurre en aplicaciones de telemedicina y monitorización remota. Del mismo modo, en la robótica quirúrgica se requiere la transmisión en tiempo real de imágenes y comandos de control entre la consola del cirujano y el sistema robótico. La endoscopia de alta resolución, así como los dispositivos implantables y los sistemas de monitorización de pacientes, son otros campos que apuestan por la transmisión de datos, pero que también conceden gran importancia a los aspectos de diseño relacionados con la compatibilidad electromagnética (CEM) para garantizar la resistencia a las interferencias (inmunidad) y la seguridad del paciente. 

Otras tendencias, como el aumento de los sensores de múltiples fuentes y los sistemas globales cada vez más interconectados, exigen una transmisión de datos rápida, fiable y segura a través de diversas interfaces, un hecho que se aplica especialmente a los dispositivos de tecnología médica. En este contexto, la «integridad de la señal» (integridad de la señal) desempeña un papel decisivo, ya que en estas aplicaciones predominan los datos de alta precisión y fiabilidad. Las corrientes constantes y los datos precisos son indispensables para garantizar la seguridad, la fiabilidad y la eficiencia de funcionamiento de los dispositivos. Las altas velocidades de transmisión de datos, en algunos casos a grandes distancias, pueden ver las señales eléctricas tan gravemente afectadas por perturbaciones como el ruido, las pérdidas por retroalimentación, así como las distorsiones y la «diafonía», que pueden provocar errores y fallos en los dispositivos. 

Cumplimiento de las normas industriales pertinentes

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Fig. 2: Un antiguo conector DIN de la serie D con un paso de 5,08 mm y, debajo, el nuevo Zero8 con un paso de 0,8 mm
En el marco de las disposiciones normativas, como el Reglamento sobre productos sanitarios (MDR) de la Unión Europea o las normas de la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) de EE. UU., es fundamental garantizar la homologación y el uso seguro de los dispositivos. Además, una tendencia generalizada entre todos los diseñadores de hardware es la necesidad de aprovechar de forma aún más eficiente un espacio de montaje cada vez más reducido en los dispositivos médicos, si bien las cargas a las que se ven sometidos los dispositivos en cuanto a golpes, vibraciones y oscilaciones, así como las influencias ambientales térmicas y químicas, siguen exigiendo la robustez de todos los dispositivos.

Además, existen tres normas industriales específicas para dispositivos de tecnología médica que deben tenerse en cuenta en todos los diseños. En primer lugar, la norma ISO 80369-1, que se ocupa de la metodología de diseño para reducir el riesgo de conexión incorrecta de dispositivos médicos o accesorios. En segundo lugar, la norma IEC 60601, que describe los requisitos generales de seguridad básica y las características esenciales de rendimiento, incluidas las interferencias electromagnéticas (EMI) y la compatibilidad electromagnética (CEM). Y, en tercer lugar, la norma ISO 13485, que se refiere a los sistemas de calidad y que garantiza la trazabilidad de los componentes y procedimientos utilizados en el proceso de producción. 

conector «board-to-board» como transmisores de señal

A medida que la complejidad y la densidad de integración en los dispositivos médicos no dejan de aumentar y es necesario integrar funcionalidades existentes y nuevas en un espacio muy reducido, los requisitos que deben cumplir los conector placa a placa, como puente entre las placas de circuito impreso, son inmensamente elevados. Los más diversos lugares y ámbitos de aplicación someten a los dispositivos a vibraciones y sacudidas. Los conector deben garantizar la fiabilidad del contacto a largo plazo incluso ante micromovimientos. La robustez, la transmisión de datos y el CEM-apantallamiento son, para el desarrollador de hardware, los tres pilares fundamentales del diseño mecánico de los dispositivos.

Los conector de última generación deben minimizar las interferencias en la transmisión de señales, y el diseño de los contactos de los conectores debe adaptarse perfectamente a ello. Por ello, el objetivo es siempre evitar los riesgos en la transmisión de datos, entre los que se cuentan principalmente las fluctuaciones de impedancia debidas a cambios en los materiales y la geometría, así como la atenuación por pérdida de inserción y pérdida de retorno, y la diafonía.

La protección de la señal como base

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Fig. 3: Interferencias en la señal en un conector apantallado (izquierda) y no apantallado (derecha).
En lo que respecta a las interferencias electromagnéticas, las señales de alta velocidad requieren una protección especial. Un conector puede actuar tanto como fuente de interferencias como sumidero de las mismas. En este caso, se recomienda proteger la señal mediante una placa de apantallamiento para proteger las señales sensibles de las interferencias externas. La imagen inferior muestra que incluso un pequeño impulso eléctrico puede distorsionar la señal útil. 
El receptor ya no puede interpretar de forma inequívoca los estados digitales de la señal HDMI tras un breve pulso de ráfaga de 0,5 kV, mientras que la transmisión de la señal del conector apantallado sigue siendo estable incluso a 4,4 kV. 

La inductancia de acoplamiento (inductancia mutua) LK describe el conector mediante las relaciones eléctricas en ambas funciones: fuente y sumidero. Esto se aplica tanto a la resistencia a las interferencias (inmunidad) como a la emisión de interferencias (emisión electromagnética). Si se conocen la tensión inducida (Uind), la tensión del generador (UGen) y la constante del generador (kGen), la inductancia de acoplamiento específica máxima admisible (LK) puede determinarse mediante esta ecuación:

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

La «inductancia mutua» (inductancia de acoplamiento) ayuda además al usuario a definir el conector adecuado en cuanto a su compatibilidad electromagnética y a evitar las costosas y laboriosas pruebas de ensayo y error en el CEM-Labor. Veamos un ejemplo: para una señal HDMI, se determinó una inductancia mutua máxima específica para cada caso de 47 pH a una tensión de 4,4 kV. Si el valor es superior, la señal ya no se transmite sin interferencias.

Especialmente diseñado para aplicaciones industriales exigentes

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Fig. 4: zero8 en versión sin blindaje (izquierda) y con blindaje (derecha).
La familia de productos Zero8 de ept ha sido concebida para satisfacer estas elevadas exigencias en el ámbito de la tecnología médica y, gracias a su gran escalabilidad, ofrece una adaptación ideal a los requisitos individuales: los tipos de construcción, la altura de apilamiento y el número de polos pueden seleccionarse de forma individual. Los zócalos y los conector están disponibles actualmente en las tipo de mid-profile y low-profile, y en el futuro también estarán disponibles en high-profile y en versión acodada. Gracias a las diferentes alturas de montaje, los conectores Zero8 permiten alcanzar distancias entre placas de circuito impreso de entre 6,00 mm y 21,00 mm, con un número de polos variable entre 12 y 80. A efectos de apantallamiento, se puede optar por proteger ambos lados del par de conectores; por supuesto, todos los conectores Zero8 son compatibles entre sí y se pueden combinar libremente. 

La tecnología de conexión a doble cara ScaleX es capaz de soportar las duras condiciones de las aplicaciones industriales y garantiza un contacto seguro ante cargas mecánicas como golpes y vibraciones. Además, compensa las tolerancias de los dispositivos en todas las direcciones cuando están enchufados. Gracias al CEM-apantallamiento, las señales quedan protegidas de las influencias externas en el entorno industrial y las características de los materiales garantizan una velocidad de transmisión de datos de datos de hasta 16 Gbit/s.

Más información sobre Zero8 »
No hay que subestimar la importancia de seleccionar el conector adecuado (conector) para una aplicación de alta velocidad. Tal y como se describe aquí, especialmente en el ámbito de la tecnología médica, coexisten muchos requisitos a la vez. Las propiedades mecánicas o eléctricas que deben cumplir los conectores conector placa a placa, o cómo está diseñada la periferia de conexión del conector, son cuestiones de detalle muy delicadas que pueden resultar decisivas en la selección, incluso de un pin a otro. 

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