Circuitários para dispositivos médicos
Sep 22,2021
Na indústria médica, os componentes eletrônicos altamente confiáveis são necessários para uma variedade de dispositivos - variando de sistemas que diagnostem, como máquinas de ressonância magnética (ressonância magnética), a dispositivos implantáveis que tratam os pacientes, como marcapêutas e desfibriladores de cardiovers (ICDs ).
Raio X de tórax ou imagem de raio-x do peito humano com colocação de marcapasso ou marca-passos cardíacos para o coração de controle na arritmia paciente. Verifique o conceito.
Enquanto na superfície, equipamentos de diagnóstico e dispositivos implantáveis são bem diferentes, os engenheiros elétricos que trabalham nesses dispositivos compartilham muitos dos mesmos desafios gerais. Estes incluem selecionar componentes eletrônicos de falha projetados para confiabilidade vitalícia e garantir que os parceiros de fornecedores possam atender aos padrões específicos do setor.
Seja qual for o dispositivo, se esses problemas não forem superiores e um componente que não é projetado especificamente para aplicações médicas, poderá haver reparos caros ou uma falha catastrófica em um dispositivo implantável que possa exigir uma cirurgia invasiva para repará-lo.
Componentes de alta confiabilidade
Os fabricantes de dispositivos médicos são regulados por agências, como a Organização Internacional de Padrões e a Food and Drug Administration dos EUA, a fim de manter o mais alto nível de confiabilidade. Embora o objetivo dessas organizações seja definir padrões para garantir que os dispositivos médicos mantenham o mais alto nível de confiabilidade, o ônus não deve cair apenas em designers de dispositivos médicos.
Em vez disso, os designers devem garantir que os controles apertados colocados neles para o projeto, desenvolvimento e fabricação desses dispositivos também sejam atendidos pelos fornecedores que selecionam para componentes, como capacitores de cerâmica multi-camada (MLCCs), capacitores de camada única e aparador capacitores.
Por exemplo, desenvolvendo um dispositivo que precisa funcionar em altas tensões, como uma ICD que opera em 600V ou 900V, os componentes precisam ser projetados e testados para suportar tensões muito mais altas do que as típicas voltagens de operação do dispositivo. Um designer de dispositivos médicos precisa envolver fornecedores em discussões sobre seleção de componentes e ser completamente transparente com os requisitos de tensão.
Além disso, para salvaguardar a confiabilidade, o designer deve ter certeza de que o fornecedor está executando testes de queimação em níveis elevados de tensão e temperatura e que todos os componentes são 100% eletricamente testados e inspecionados visualmente para estarem em conformidade com critérios de desempenho rigorosos.
Desafios Regulamentares.
Além de impedir a falha do dispositivo, selecionando um fornecedor dedicado ao fornecimento de componentes de alta confiabilidade para a indústria médica, os designers de dispositivos médicos precisam ter certeza de que os componentes eletrônicos que usam cumprem com uma variedade de especificações do setor. As duas principais especificações para a maioria dos componentes médicos são MIL-PRF-55681 e MIL-PRF-123.
Em essência, o MIL-PRF-55681 é a especificação mais amplamente utilizada no campo de dispositivos implantáveis médicos. Ele define um dielétrico estável mid-k designado como bx. A especificação MIL-PRF-123 abrange os requisitos gerais para alta confiabilidade, opções BX e BR dielétricas) e capacitores de temperatura (BP e BG) dielétrico cerâmico (BP e BG) para dispositivos de montagem de superfície.
Bem como uma compreensão completa desses dois padrões, e quaisquer outros que podem ser necessários para uma aplicação específica, um fornecedor precisa de processos em vigor para operações, testes e garantia de qualidade. Também precisa fornecer documentação, como desenhos de controle de origem (SCDs) que governam todos os aspectos dos componentes fornecidos. Isso é crítico, mas às vezes esquecido, parte do processo de design. O SCDs fornece uma descrição de engenharia, qualificações e critérios de aceitação para a entrega de componentes especializados para aplicações críticas. Esse tipo de documentação pode tornar mais fácil para os designers de dispositivos garantirem o cumprimento dos padrões e regulamentos relevantes, como MIL-PRF-55681 e MIL-PRF-123.
EMI em dispositivos implantáveis
Além destas considerações gerais para a indústria para confiabilidade, existem alguns desafios específicos de aplicativos adicionais para a eletrônica médica.
Por exemplo, hoje há muitas fontes de interferência eletromagnética conduzida e irradiada (EMI) que podem potencialmente interromper a função de dispositivos médicos implantáveis. Isso poderia envolver jogar fora do ritmo de um marcapasso ou fazendo com que uma CDI detida falsamente um batimento cardíaco irregular, enviando um choque que não é necessário.
Para eliminar a EMI e reduzir esses riscos, os designers de dispositivos médicos podem usar um filtro de feedthrough feito de uma matriz planar plana multi-camada ou capacitor discoidal. Esses filtros de feedthrough são usados em um ponto de conexão para garantir que o ruído indesejado, como o EMI, seja eliminado, evitando questões como picos de tensão.
Este método para filtrar EMI envolve um capacitor em forma de um donut com leads que transportam sinais que passam diretamente pelo capacitor. O exterior do capacitor é anexado ao escudo EMI, que forma uma gaiola de Faraday em torno do circuito protegido. Com esses filtros montados na parede da gaiola do Faraday, quaisquer cabos de entrada ou saída passarão pelos filtros, o que irá filtrar a interferência conduzida de alta frequência, enquanto a gaiola Faraday protege contra interferência irradiada (Figura 1).
Os eletrodos horizontais dentro do Capacitor Act como extensões para a parede da gaiola Faraday, que podem resultar em excelente desempenho de alta frequência. Feedthroughs filtrados têm uma baixa resistência à série equivalente e indutância de série equivalente, e pode ser hermeticamente selada em vez de ser selada com uma resina. Esses filtros são projetados para dispositivos de alta ou baixa voltagem.
Componentes no equipamento MRI
Máquinas de ressonância magnética e todos os equipamentos médicos usados neles, como dispositivos de monitoramento do paciente, exigem considerações especiais de confiabilidade. Um dos maiores problemas que os designers de dispositivos médicos são executados com máquinas de ressonância magnética é que todos os componentes usados dentro ou ao redor da máquina não podem exibir qualquer magnetismo. Isso é desafiador porque um MLCC padrão pode conter um eletrodo de metal base feito de níquel, ou o dielétrico e o eletrodo pode usar um acabamento de barreira de níquel para evitar a lixiviação de solda em terminações - ainda níquel é ferromagnético.
Para criar uma rescisão de MLCC não magnética confiável e estável, os fornecedores são limitados nos materiais que podem usar. Duas opções recomendadas incluem uma rescisão sinterizada de paládio (AGPD) de prata ou uma camada de barreira de cobre. Enquanto uma rescisão AGPD é uma boa opção, é propensa a lixê de solda, que pode levar a problemas de desempenho. Por outro lado, uma barreira de cobre não terá problemas com a lixiviação de solda, mas pode ser suscetível à oxidação e à corrosão. É, no entanto, compatível com opções de solda convencionais e convencionais e também é menos dispendiosa que a AGPD.
Outra necessidade ao eliminar o magnetismo é usar dopantes não magnéticos, ou aditivos, em dielétricos cerâmicos. Diferentes combinações de elementos podem ser usadas para criar as propriedades dielétricas corretas e eliminar o magnetismo, mas isso pode limitar as faixas de capacitância disponíveis.
Não importa que tipo de dispositivo médico esteja sendo projetado, é provável que esteja ficando menor e mais poderoso com cada geração.Isso não altera a necessidade de designers de dispositivos para atender aos requisitos e regulamentos para garantir que o equipamento mantenha a confiabilidade da vida útil.
Para ter certeza de que os componentes eletrônicos selecionados não serão a causa de problemas com um dispositivo a longo prazo, é uma boa prática para os designers consultar um fabricante de componentes de especialidade no início do processo de design.Os fornecedores que já estão familiarizados em lidar com as complexidades que vêm com aplicativos de alta confiabilidade, alta temperatura e alta frequência estão bem equipados para fornecer os blocos de construção eletrônica que garantirão que qualquer dispositivo médico seja construído para durar.
