Miniaturisierte Verbindungstechnik für die Medizintechnik

| Autor / Redakteur: Robert Stanton * / Kristin Rinortner

Medizintechnik-Steckverbinder: Die Medizintechnik bedingt neue Parameter bei Steckverbindern wie 
extreme Miniaturisierung bei besonders hoher Qualität und Zuverlässigkeit.
Medizintechnik-Steckverbinder: Die Medizintechnik bedingt neue Parameter bei Steckverbindern wie 
extreme Miniaturisierung bei besonders hoher Qualität und Zuverlässigkeit. (Bilder: Omnetics)

Extreme Miniaturisierung und Zuverlässigkeit kennzeichnen die moderne Medizintechnik. Welche Herausforderungen sich dadurch für Kabel und Steckverbinder ergeben, zeigt dieser Artikel.

Im Gesundheitswesen zeichnet sich ein verstärkter Einsatz tragbarer digitaler Stethoskope, Scanner und Schmerzbehandlungsgeräte ab. Medizintechnik findet sich in Wearables, Hautsensoren, neurologischen Sensoren und optischen Scannern.

Chirurgie-Roboter werden für hochpräzise Verfahren eingesetzt und gehirngesteuerte Computerschnittstellen erfassen Signale für die Bewegung von Prothesen. Der Artikel beschreibt die Entwicklungen der Verbindungstechnik in der Medizintechnik.

In biomedizinischen Geräten werden immer häufiger Mikro- und Nano-Steckverbinder für flexible Miniaturkabel verwendet. Sensor-ICs und Prozessoren wandern von Geräten/Gehäusen in Kabel oder Sonden. Tragbare Ultraschallgeräte werden zur Beurteilung der inneren Organe eingesetzt – von der Blutgerinnselanalyse bis zum Krebstest.

Digitale Daten werden auf tragban Anzeigen in Echtzeit mit den Patienten geteilt. Sensor-ICs, die während des Patientenbesuchs sofort Ergebnisse liefern, werden in Kliniken zur Blutuntersuchung verwendet. Integrierte Schaltkreise im Gehirn helfen Amputierten dabei, Arme und Beine zu bewegen. Von Pharmaprodukten bis zu Neuromodulationsimplantaten ermöglichen Entwicklungen in der Mikrosignalverarbeitung weitere Fortschritte in der Medizintechnik.

Mit Hilfe von Mikro-Rundsteckverbindern lassen sich Sonden und Sensoren für die medizinische Diagnostik schnell wechseln. Ummantelte Einsätze dienen als Verbinder und Griff, an dessen Ende sich ein Thermistor befindet. Chirurgen setzen Sonden in den Körper ein, um die Temperatur von Blut und Gewebe eines Patienten zu überwachen und in Echtzeit auf einem Bildschirm oder einem Histogramm anzuzeigen.

Damit ist eine Frühwarnung möglich, die das Risiko von Komplikationen während eines Eingriffs senkt. Steckverbindereinsätze (Pin-and-Wire-Sets) können mit Kontaktsystemen mit einem Abstand bis zu 0,635 mm vorverdrahtet und an verschiedene Materialien angepasst werden.

Die Zuverlässigkeit und Qualität von Verbindungen in der Medizintechnik ist dabei entscheidend – angefangen beim Einsatz äußerst zuverlässiger Bauteile. Bei dynamischen Behandlungsmaßnahmen geben Entwickler meist Federkontakt- und Sockelsysteme vor, die die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit bei Stößen, Vibrationen und Temperaturzyklen garantieren. Die Federkontakte werden aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung mit hoher Zugfestigkeit (118 594 N/mm2) gefertigt. Die vergoldeten Kontakte (1,27 µm) und Sockelelemente haben eine Nickel-Sperrschicht und sind mit LCP umspritzt.

Der Teflon-Mantel der Kabel wird mit einem Laser abisoliert, um Kerben zu vermeiden. Die Kabel werden in den Steckverbinder eingepresst, um eine höhere Zuverlässigkeit zu gewährleisten als beim Verlöten. Der Steckverbinder wird in LCP-Gehäuse eingesetzt und mit Epoxidharz vor Ort vergossen.

Herausforderungen bei tragbaren medizinischen Geräte

Bei tragbaren, kleinen medizinischen Geräten, die wenig Strom und eine niedrige Spannung benötigen, lassen sich zwei Kabel kombinieren, um Strom als auch das Signal in einer medizintechnisch tauglichen Verbindung bereitzustellen. Die Sicherheit wird durch Isolation und verpolungssichere Steckverbinder verbessert.

Die Stromversorgung erfolgt über dasselbe Kabel und ist vor elektromagnetischen Störungen gut isoliert. Viele neue medizinische Instrumente bereiten auch Bilder für Ärzte und Radiologen auf. Diese bildgebenden Systeme übertragen große Mengen digitaler Daten mit Geschwindigkeiten von bis zu 5 GBit/s. Für hochauflösende Bilder sind Highspeed-Steckverbinder und eine spezielle Verkabelung erforderlich.

Neue Produkte erweitern die Portabilität der Geräte für den täglichen Gebrauch am Patienten – auch außerhalb der Praxis oder Ambulanz. Kabel und Anschlüsse sind für den Gebrauch durch den Patienten, die Datenerfassung und die anschließende gemeinsame Nutzung mit Ärzten konzipiert. Neue Flachkabel- und Steckverbindersysteme lassen sich in Kleidung integrieren, um wichtige biometrische Daten zu überwachen.

Die in Prothesen verwendete Elektronik ist notwendigerweise miniaturisiert und robust. Eingesetzt werden hoch flexible und verschleißfeste Kabel – insbesondere in Soft-Robotik-Exosuits. Medizinische Exoskelettsysteme werden getestet, um die Rehabilitation zu unterstützen und längerfristige Unterstützung beim Gehen für Patienten zu geben, die z.B. an angeborener Spina bifida (Neuralrohrfehlbildung) leiden.

Medizinische Geräte in Krankenwagen sind während des Einsatzes oft extremen Temperaturen sowie rauer Handhabung, starken Zugkräften und starken Kabelbiegungen ausgesetzt. Steckverbinder müssen wiederholtem Stecken während des Einsatzes standhalten, was durch die Miniatur-Pin-and-Wire-Technik gut funktioniert.

Ausblick: Mikro- und Nano-Miniatur-Steckverbinder

Mikro- und Nano-Miniatur-Steckverbinder- und -Kabelsysteme finden immer häufiger ihre Anwendungen, und ihre Größe und ihr Gewicht werden immer geringer. Hochkompakte Low-Voltage-ICs ermöglichen schnelle und zuverlässige Systeme. Neue Werkstoffe und Methoden bei der Entwicklung von Steckverbindern und Kabeln helfen dabei, schnelle Signale auf kleinstem Raum zu verarbeiten, um eine kleinere Baugröße und ein geringes Gewicht zu ermöglichen und gleichzeitig die Signalintegrität und Systemstabilität zu erhöhen.

Kundenspezifische Abänderungen aktueller Miniatur-Steckverbinder lassen sich sehr schnell umsetzen und mit Entwicklern medizintechnischer Geräte unter Verwendung von Computermodellen absprechen. Nach der Freigabe werden die Fertigungsdaten automatisch an Bearbeitungsmaschinen und Fertigungsbetriebe weitergeleitet, um erste Produkte herzustellen.

* Robert Stanton ist Leiter Entwicklung und Fertigung von Steckverbindern bei Omnetics in Minneapolis / U.S.A.

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