Tragbares Gerät für den Einsatz in der Medizin

Beispiel eines modernen tragbaren medizinischen Geräts. (Bildquelle: Harwin)

Es sind schwierige Zeiten für das Gesundheitswesen, das vor großen Herausforderungen in Bezug auf Personal und Ressourcen steht. Die Alterung der Bevölkerung in vielen Ländern belastet die Gesundheitssysteme, die ohnehin schon mit knappen Budgets und Personalmangel zu kämpfen haben. Und die anhaltende Corona-Pandemie stellt weitere unvorhergesehene Anforderungen an das medizinische Personal und die Ausrüstung.

In den letzten zehn Jahren fand im Gesundheitswesen ein umfassender Wandel statt. Um die Lebensqualität in jeder Phase der Pflege zu verbessern, wurde ein größerer Schwerpunkt auf die häusliche Überwachung chronisch Erkrankter (und gegebenenfalls auf die Behandlung) zuhause gelegt. Dies ist für die Patienten bequemer und verringert die Logistikkosten. Zu den Parametern, die jetzt zuhause gemessen werden, zählen Blutzuckerwerte, Blutdruck und Sauerstoffsättigung. Selbst komplexe Verfahren wie die Dialyse können inzwischen zuhause erfolgen. Dies bringt jedoch neue Herausforderungen bei der Entwicklung medizintechnischer Geräte und der verwendeten Komponenten mit sich.

Welche Herausforderungen ergeben sich dadurch für das medizinische Personal und die Hersteller medizintechnischer Geräte? Erfolgen Überwachung und Behandlung von zuhause werden die Geräte nicht mehr von qualifiziertem medizinischem Personal, sondern von Endanwendern bedient, die meist keine Erfahrung mit deren Anwendung haben. Ebenso wichtig ist es, die Reaktionsfähigkeit zu erhöhen und die Reaktionszeit zu verkürzen. Denn der Großteil dieser medizinischen Geräte wurde speziell für die Verwendung durch Notärzte, Sanitäter und Ersthelfer entwickelt. Wie bei Geräten für den Hausgebrauch müssen diese kompakt, leicht und robust sein.

Der Trend hin zu kleineren, tragbaren Geräten wird sich auch auf die Komponenten auswirken, die in diesen Geräten verbaut werden. Dazu zählen unter anderem Steckverbinder und zugehörige Kabelbaugruppen. Die Hersteller dieser Geräte müssen geeignete Hardware von Steckverbinder-Lieferanten beziehen – und zwar über die von ihren Vertriebspartnern eingerichteten Netzwerke. Laut einer kürzlich von Verified Market Research erstellten Studie ist das weltweite Geschäft mit medizinischen Steckverbindern derzeit mit einem zweistelligen Wachstum sehr dynamisch. Erweisen sich die Prognosen als richtig, wird bis 2026 ein Wert von 4,28 Milliarden US-Dollar erreicht.

Hauptziele bei der Spezifikation medizinischer Steckverbinder

Bei medizinischen Anwendungen ist die langfristige Zuverlässigkeit der Steckverbinder von elementarer Bedeutung. Sobald Geräte die stabile Klinikumgebung verlassen, sind sie zusätzlichen Belastungen ausgesetzt. Muss ein Sanitäter zum Beispiel schnell auf eine lebensbedrohliche Situation reagieren, besteht ein erhöhtes Risiko, dass Geräte fallen gelassen, gestoßen oder erschüttert werden. Unter diesen Umständen ist ein höheres Maß an Haltbarkeit und Robustheit erforderlich, um den Ausfall von Komponenten (und damit des Geräts) zu verhindern. Dies würde andernfalls den Patienten einer größeren Gefahr aussetzen. Die Forderung nach Tragbarkeit bedeutet auch, Größen- und Gewichtsbeschränkungen zu berücksichtigen.

SWaP-Überlegungen

Der kompaktere Aufbau tragbarer medizinischer Geräte und die Notwendigkeit, sie leichtgewichtig zu gestalten, können aus Sicht der Verbindungstechnik erhebliche Auswirkungen haben. Um die Anforderungen an Größe, Gewicht und Stromverbrauch (SWaP; Size, Weight and Power) zu erfüllen, können Steckverbinder, die Stromversorgung und Datensignale gleichzeitig bereitstellen, von Vorteil sein. Sie verfügen über spezielle Kontakte für jede dieser Funktionen. Dies spart Platz und reduziert das Gewicht im Gehäuse, da ein zweites Paar von Steckverbinder-Gehäusen entfällt. Da die Stromanschlüsse hohe Ströme transportieren, aber nahe beieinanderliegen, kommt es darauf an, dass sie in ein wirksames Isolationsmaterial eingebettet sind. Dies verhindert Überschlagen zwischen Strom- und Signalleitungen, was sich nachteilig auf die Datengenauigkeit oder die Stromkontinuität im Gerät auswirken kann.

Strenge elektromagnetische Standards

Alle Geräte, die in Krankenhäusern, Pflegeheimen oder im häuslichen Bereich zum Einsatz kommen, müssen strengen elektromagnetischen Standards (EMV) entsprechen. Daher ist eine interne Abschirmung erforderlich, damit Signale oder Strom, die über den Anschluss beziehungsweise die Verkabelung fließen, die an anderer Stelle im System vorhandenen Daten nicht beeinträchtigen. Ebenso dürfen externe Störquellen die Signale innerhalb des Steckverbinders beziehungsweise der Verkabelung nicht stören. In die Steckverbinder können metallische Backshells eingearbeitet werden, während für Kabel ein Geflecht verwendet wird. Die tragende Verkabelung muss ebenfalls mit einem Geflecht versehen werden. Der Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) ist ein weiterer Aspekt, der berücksichtigt werden muss, um die Sicherheit der Benutzer zu gewährleisten.

Umgebungsfaktoren

Ausrüstung für Notärzte und Sanitäter wird auch im Freien eingesetzt und ist damit jedem Wetter ausgesetzt. Eine wasserdichte Auslegung exponierter Bereiche trägt dazu bei, Schäden durch eindringende Flüssigkeiten zu verringern. Steckverbinder sollten auch gegen erhöhte Luftfeuchtigkeit und Temperaturschwankungen beständig sein.

Steckverbinder können während des Steckvorgangs beschädigt werden, zum Beispiel, wenn geschultes medizinisches Personal in Eile ist, um Notfälle zu versorgen, oder wenn Nutzer zuhause keine Erfahrung in der Bedienung der Geräte haben. Ein intelligentes Steckverbinderdesign erhöht die Toleranz gegenüber Fehlstecken und verhindert eine falsche Ausrichtung.

Aufgrund der hohen Beanspruchung können Schraubbefestigungen (oder eine andere Form von Verriegelung) ratsam sein, um den Halt der Steckverbinder zu erhöhen. In Anbetracht der schnellen Bewegungen, die Sanitäter und Ärzte in Notfällen häufig durchführen, sind Fixierungen von Vorteil, die sich sehr schnell und einfach ausführen lassen. In bestimmten Anwendungen besteht auch die Möglichkeit, den Steckverbinder mittels Backpotting zu fixieren. Dabei werden die Hohlräume an der Rückseite des Steckers an der Kabeleinführung mit einem Epoxidharz gefüllt (das anschließend aushärtet). Dies schafft eine Zugentlastung für die Kabel, um ein Herausziehen zu verhindern.

Geräte im Medizineinsatz
Beispiel eines modernen tragbaren medizinischen Geräts. (Bildquelle: Harwin)

Bewährte Steckverbindertechnik

Mit hoher mechanischer Robustheit und kompakten Formfaktoren wurden die hochzuverlässigen Steckverbinder von Harwin für verschiedenste medizintechnische Geräte entwickelt. Zu den jüngsten Projekten, bei denen diese robusten Steckverbinder zum Einsatz kommen, zählen tragbare Beatmungsgeräte, diagnostische Ultraschallsysteme, EEG-Geräte und zahlreiche Patientenüberwachungssysteme.

Die präzisionsgefertigten Kontakte der 2-mm-Datamate- und 1,25-mm-Gecko-Steckverbinderserien sind für den Einsatz in medizintechnischen Geräten ausgelegt, insbesondere in kompakten tragbaren Modellen. Über ein 4-Finger-Clip-Design stellen diese Kontakte sicher, dass die Integrität der Verbindung auch unter extremen Anwendungsbedingungen nicht beeinträchtigt wird. Da jeder Kontakt aus hochwertigem Berylliumkupfer besteht, ist trotz Stößen und Vibrationen immer eine elektrische Verbindung über mindestens eine Kontaktfläche garantiert. 

Die Robustheit dieser Steckverbinder unterstützt auch eine große Anzahl von Steckzyklen (über 500 für Datamate und über 1000 für Gecko). Die hochwertige glasgefüllte thermoplastische Isolierung schirmt die Kontaktstifte voneinander ab. Vorgefertigte Kabelbaugruppen sowie Optionen für flexible gedruckte Kabel (FPC) sind verfügbar. FPCs basieren auf einer kupferkaschierten Polyimid-Struktur mit einem verklebten Overlay und sind im Vergleich zu herkömmlichen Kabeln ideal, wenn weniger Platz und engere Biegungen vorliegen. Die bei Gecko-SL verfügbaren „Mate-before-lock“-Befestigungen sichern zusammengesteckte Paare und beschleunigen den Steckvorgang, indem das zeitaufwändige Zusammenführen von Kabelende und richtiger Steckerposition vermieden werden.

Es macht also Sinn, medizintechnische Steckverbinderkomponenten zu spezifizieren, die für Anwendungen außerhalb des Krankenhauszimmers geeignet sind. Sie müssen für die Miniaturisierung von Systemen ausgelegt sein, da medizinisches Personal im Außeneinsatz zunehmend von tragbaren Geräten im Kleinformat abhängig ist. Die Steckverbinder müssen daher eine Kombination aus erhöhter Leistungsfähigkeit, hoher Dichte, sicherem Betrieb und unbestreitbarer Zuverlässigkeit bieten.

Steckverbinder
Verriegelnde Version der Datamate-Steckverbinder, mit denen die Verkabelung des Alarmsystems in einem tragbaren Beatmungsgerät erfolgt. (Bildquelle: Harwin)

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