Chirurgische Instrumente von MicroAire: Fischer Core First Mate Last Break Steckverbinder für elektrische Sicherheit, Signalintegrität und mechanische Zuverlässigkeit

Das PAL-System (Power-Assisted Liposuction) von MicroAire Surgical Instruments setzt auf mehrpolige Fischer Core Niederspannungsstecker von Fischer Connectors mit einer gemischten Konfiguration von Strom- und Datenkontakten sowie eine 3,5 Meter lange, umspritzte Silikonkabelkonfektion, die autoklavierbar ist. Zusätzliche Sicherheit schaffen FMLB-Verbindungen (First Mate Last Break) zwischen dem Handgerät, der Konsole und dem Pedal. Wie gewährleisten die Fischer Core Steckverbinder die Signalintegrität, elektrische Sicherheit und mechanische Zuverlässigkeit für das chirurgische Gerät von MicroAire und für medizinische Anwendungen im Allgemeinen gemäß IEC 60601-1? Wofür werden die neuen FMLB-Steckverbinder verwendet? Und wie hat das Team von Fischer Connectors die individuellen Anforderungen des PAL-Systems und anderer Instrumente von MicroAire umgesetzt?

 

Nick Sklavos, Staff Electrical Product Development Engineer bei MicroAire, erklärt, warum der gesuchte Steckverbinder in erster Linie dicht und robust sein musste: „Das Gerät wird bei chirurgischen Eingriffen verwendet und muss autoklaviert werden. Der Stecker des Handstücks muss vollständig versiegelt und vergossen sein, damit Feuchtigkeit und Dampf durch das PEEK-Isoliermaterial nicht in das Innere des Instruments eindringen können. Außerdem muss der Stecker über vergoldete Kontakte verfügen und rostfrei sein.“

 

Mit anderen Worten: extrem robust und langlebig, sowohl mechanisch als auch in Bezug auf das Design. Im PAL-System kommen die Fischer Core-Steckverbinder der Größe 104 (Stecker mit 15 mm Durchmesser) als Teil einer 3,5 Meter langen, silikonumspritzten Kabelkonfektion zum Einsatz. Sie sind nach IP68 abgedichtet und verfügen über eine vergossene Rückseite. So hält die gesamte Baugruppe der Sterilisation in Autoklaven stand. Eine lange Lebensdauer von medizinischen Geräten setzt außerdem eine hohe Anzahl von Steckzyklen und eine hohe Korrosionsbeständigkeit voraus. Fischer Core-Steckverbinder wurden entwickelt, um 10.000 Steckzyklen und Korrosion durch 1.000 Stunden Salznebel (5 % Salzlösung, 35 °C) standzuhalten.

 

Auch die Größe der Stifte spielen für die Robustheit und mechanische Zuverlässigkeit eine entscheidende Rolle. Dicke Stifte sorgen dafür, dass die Kontakte den beanspruchenden medizinischen Verfahren und der robusten Reinigung, unter anderem dem Schrubben mit Bürsten, standhalten können, da chirurgische Instrument im Einsatz häufig mit Blut und Fett verunreinigt werden. Um diese Verschmutzungen zu entfernen, müssen Bürsten eingeführt und heftig geschrubbt werden. Auch wenn die PAL-Konsole durch die Entfernung zum OP-Feld nicht autoklaviert werden muss, beansprucht auch hier die intensive Reinigung den Steckverbinder. Wenn Blut oder Fett in den Anschluss gelangen, werden zur Reinigung Bürsten oder andere Instrumente eingeführt. Dies kann bei zu dünnen Stiften Beschädigungen verursachen. Die Größe der Steckerstifte ist daher von entscheidender Bedeutung.

 

Folglich sind dicke Steckerstifte für einen robusten Kontakt unerlässlich. Das Handstück des PAL-Systems verwendet Fischer Core 104 A 130 Steckverbinder mit 14 Stiften: drei große 0,9 mm Stromkontakte für einen maximalen Strom von 9,5 A sowie elf 0,5 mm Datenkontakte, einschließlich eines längeren First Mate Last Break Kontakts für die Masse, für 5 Gbit/s Ethernet. Im Pedal, das an die Konsole angeschlossen ist, kommen 104 A 131 Steckverbinder zum Einsatz. Sie verfügen über zwölf Strom- und Datenkontakte von 0,5 mm, einschließlich des längeren Masse-/FMLB-Kontakts, für 4,2 A und 5 Gbit/s Ethernet. Auf der Konsolenseite wurde die Stiftgröße aus Gründen der Robustheit von 0,5 auf 0,7 mm vergrößert.

Verschiedene Schloss- und Schließsysteme

 

Das PAL-System verwendet verschiedene robuste Schloss- und Verriegelungssysteme. Bevor sich das technische Team von MicroAire für die Fischer Core-Serie entschied, „versuchten die Benutzer des PAL-Systems häufig, den Stecker auf verschiedene Arten zu stecken und brachen dabei die Stifte ab“, erklärt Sklavos. „Mit der sehr robusten Kodierung von Fischer Connectors in unserem neuen Gerät ist der Stecker nur auf eine Weise steckbar und Beschädigungen durch Fehlsteckungen werden verhindert. Dank eines äußerst robusten Kodierungssystems mit jeweils einer Metallplatte oder einem Bogen oben und unten können Benutzer den Stecker nicht durch falsche Einführung beschädigen.“

 

Die sicheren Verbindungen des PAL-Systems werden durch zwei verschiedene Verriegelungssysteme hergestellt, je nachdem, ob sie das Handstück oder die Konsole verbinden. „Unsere hochgradig anpassbare Produktlinie Fischer Core ist für ihre Vielseitigkeit bekannt“, erklärt Ray Benson, Regional Sales Manager bei Fischer Connectors und verantwortlich für das Kundenprojekt mit MicroAire. „Sie bietet nicht nur eine große Vielfalt an Kontaktkonfigurationen, Größen und Materialien, sondern auch verschiedene Arten von Verriegelungsmechanismen: Push-Pull, Tamperproof, Quick-Release und Friction Fit. Um die Anforderungen von MicroAire an das Handstück des PAL-Systems zu erfüllen, haben wir einen Push-Pull-Mechanismus gewählt.“ Der Push-Pull-Stecker, der in das Handstück eingesteckt wird, bleibt nach dem Einstecken sicher an seinem Platz und verhindert ein versehentliches Trennen oder Lösen, wenn der Anwender das Handstück während des Eingriffs oder der Einrichtung vertikal hält oder schüttelt. „Er ist sowohl robust als auch sicher verriegelt. Um ihn zu entriegeln, muss man sich anstrengen“, erklärt Sklavos.

 

Für den Stecker der Konsole gibt es keine „Verriegelung“ im eigentlichen Sinne, hier wird ein anderer Mechanismus verwendet. Sklavos: „Wenn der Stecker verriegelt ist, wissen die Anwender häufig nicht, wie man ihn entriegelt. Sie wissen nicht, dass man erst an der Hülle und dann am Stecker ziehen muss. So versuchen sie häufig, am Kabel zu ziehen, um es auszustecken. Dabei wird es hin und wieder so stark verdreht, dass es beschädigt wird. Außerdem kann bei einem verriegelten Anschluss eine Person oder ein vorbeifahrender Wagen am Kabel ziehen. Durch den Zug kann die Konsole auf den Boden fallen.“ Wie dies vermieden wird, erklärt Benson: „Der Stecker an der Seite der Konsole hat keinen eigentlichen Verriegelungsmechanismus, sondern ist ein so genannter ‚Friction Fit‘. Wenn jemand am Kabel zieht, springt es einfach heraus.“

 

Einfaches Einsetzen und Entfernen der Steckverbinder, einfache Handhabung sowie schnelles Anschließen und Trennen waren von Anfang an die ausdrücklichen Anforderungen von MicroAire. „Der Stecker, den wir von Fischer Connectors erhalten haben, lässt sich schnell ein- und ausstecken – insbesondere am Handstück. Der Steckverbinder muss einfach am Handstück anschließbar sein, um eine benutzerfreundliche und sichere Verbindung zu gewährleisten. Der Chirurg oder die Krankenschwester bringt das Kabel mit und steckt es einfach ein. Dann nimmt er das andere Ende und steckt es in die Konsole. Die Rückmeldungen, die wir bisher erhalten haben, waren hervorragend. Chirurgen und Krankenschwestern schätzen die Robustheit der Stecker, ihre einfache Handhabung und die Einfachheit des Friction Fit.“

First Mate Last Break

 

Wie jeder Hersteller von Medizinprodukten gemäß IEC 60601-1 (die Reihe der technischen Normen für die Sicherheit und die wesentlichen Leistungsmerkmale medizinischer der Internationalen Elektrotechnischen Kommission), muss MicroAire mit dem PAL-System strenge elektrische Sicherheitsanforderungen sowie Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Signalintegrität erfüllen.

 

Aufgrund dieser komplexen Anforderungen fiel die Wahl auf die Fischer Core First Mate Last Break (FMLB) Steckverbinder. „Es ist uns wichtig, dass die Erdung des Kabels immer aktiv ist. Es muss zuerst geerdet sein, damit das System immer geerdet ist, und wird zuletzt unterbrochen, um die Signalintegrität und die elektrische Sicherheit zu gewährleisten. Ohne Erdung haben wir schwebende Signale, die unter dem Gesichtspunkt der Signalintegrität zahlreiche elektrische Artefakte verursachen können, die nicht vorhersehbar sind. Unter anderem können dies Übersprechen, kapazitive Kopplung und EMI-Probleme sowie riskante elektrische Sicherheitsbedingungen sein“, erklärt Sklavos.

 

Mit dem längeren Stift der Fischer Core-Stecker, die im PAL-System verwendet werden (siehe roter Punkt in Bild), wird der Erdungspfad vor jeder anderen Strom- oder Signalverbindung hergestellt. Der längere Kontakt des Steckers des Handstückkabels beziehungsweise des Pedalkabels wird zuerst mit dem Buchsenkontakt der Konsolenbuchsen verbunden und beim Trennen zuletzt unterbrochen.

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Die PAL-Konsole von MicroAire, die sich zumeist auf einem Gerätewagen befindet, verfügt über zwei Buchsen, die zuerst mit dem längeren Stift des Handstückkabels verbunden und zuletzt getrennt werden. Der Stecker der Konsole wurde mit größeren Stiften versehen, um die Unterbrechung zu ermöglichen. Die FMLB-Buchse der Pedalsteuerung ist zwischen den beiden Instrumentenbuchsen installiert.

Individualisierung und Reaktionsfähigkeit

 

Ein weiterer Grund, warum MicroAire Fischer Connectors als bevorzugten Steckverbinderlieferanten für sein PAL-System und andere Produkte gewählt hat, ist die kundenspezifische Anpassung.

 

Sklavos: „Der Konnektivitätspartner für Hersteller medizinischer Geräte muss sich flexibel an die sich häufig ändernden medizinischen Vorschriften anpassen können. Außerdem muss das Unternehmen einige Klauseln der FDA erfüllen.“ Eine dieser Klauseln ist die Kriechstrecke. Die Kriechstrecke ist ein entscheidender Faktor bei der Konstruktion elektrischer und elektronischer Geräte, da sie die Fähigkeit der Isolierung beeinflusst, hohen Spannungen standzuhalten und Lichtbögen zu verhindern. Die Anforderungen an die Kriechstrecke sind in verschiedenen Sicherheitsnormen wie IEC 60950 und UL 60950 festgelegt. „Mit Fischer Connectors haben wir uns darauf geeinigt, einen Kunststoffrand im Inneren des Steckverbinders zu schaffen“, erklärt Sklavos. „Wenn die beiden Steckverbinder verbunden werden, schützt diese Umrandung das andere, metallische Gehäuse vor ESD-Zappern von beiden Seiten, also von der PAL-Konsolenseite und der Handstückseite. Das muss ein Unternehmen herstellen können, sonst sind seine Steckverbinder unbrauchbar für unsere Zwecke.“

 

Da die anwendungsspezifische Anpassung ein entscheidender Aspekt des Designprojekts war, war das technische Team von MicroAire von der effizienten Zusammenarbeit mit dem Team von Fischer Connectors begeistert. Die Produktzeichnungen wurden immer rechtzeitig aktualisiert und versandt. „Wir benötigten einen maßgeschneiderten First Mate Last Break-Steckverbinder mit sehr spezifischen mechanischen Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen. Die notwendigen Zeichnungen kamen immer pünktlich an. Diese Zuverlässigkeit ist einer der Gründe, warum wir mit Fischer zusammenarbeiten. Ihre Steckverbinder sind überall in unseren Produkten zu finden.“

 

Die Zusammenarbeit zwischen MicroAire und Fischer Connectors geht über das PAL-System hinaus. Sie umfasst auch andere Produkte, beispielsweise orthopädische Werkzeuge wie Bohrer, Drahttreiber und Fräser.

Und was ist mit den Konkurrenten von Fischer Connectors?

„Für die neue Einheit unseres PAL-Systems haben wir auch andere Unternehmen kontaktiert, die ähnliche Steckverbinder wie Fischer Connectors herstellen. Zunächst einmal konnten einige von ihnen unsere Anforderungen an den Autoklaven nicht erfüllen. Ein Unternehmen hatte keine Autoklaventests durchgeführt, ein anderes gab 100 Autoklavenzyklen an, was nicht ausreichend war. Ein anderer guter Hersteller von Steckverbindern konnte sowohl die Kriechstrom- als auch die Autoklav-Anforderungen erfüllen, konnte die Steckverbinder aber nicht rechtzeitig liefern – seine Vorlaufzeit war viel zu lang. Außerdem konnten sie uns nicht die Flexibilität bieten, die unsere Konstrukteure bei der Entwicklung benötigen. Nur Fischer Connectors konnte die Verbindungen mit den von uns benötigten Anpassungen herstellen. Fischer verfügte außerdem über die Kabelkonfektion, die wir ohnehin verwenden, und wir hatten ein sehr gutes Verhältnis zum technischen Team und zum Vertriebsleiter. Unter anderem deshalb entschieden wir uns für sie.“  – Nick Sklavos, Ingenieur für elektrische Produktentwicklung bei MicroAire

Die gewählte Konnektivitätslösung

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Fischer Core Brass

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