Ako dizajn základnej dosky endoskopu prelomí vesmírne prekliatie v technike distálnej špičky

V endoskopii existuje večný boj o priestor v distálnej špičke ďalekohľadu. Na vytvorenie tenšieho a schopnejšieho zariadenia je potrebné prehodnotiť dizajn a rozloženie dosiek plošných spojov. Konvenčný prístup pevných dosiek s plošnými spojmi je spochybňovaný túžbou urobiť kameru lekárskeho endoskopu kompaktnejšiu a flexibilnejšiu. Riešením je tuhá-flexibilná doska plošných spojov, ktorá kombinuje výhody pevných a flexibilných dosiek plošných spojov.

 

Vesmírna kliatba

Typický scenár zahŕňa použitie kamery lekárskeho endoskopu: ďalekohľad sa vloží do tela pacienta a naviguje sa do cieľového miesta pomocou zobrazovania a osvetlenia, ktoré poskytuje modul kamery umiestnený na distálnom konci. Na uspokojenie požiadavky veľkého zorného poľa sa na montáž obrazového snímača, svetelných-diód a iných komponentov používajú bežné pevné dosky plošných spojov. Tieto dosky sú pevné a nie je možné ich zložiť, aby sa ušetrilo miesto vo vnútri úzkeho hrotu. Na druhej strane, flexibilné obvody by spôsobili namáhanie spájkovaného spoja v dôsledku ohýbania.

 

Flexibilné dosky plošných spojov sa zvyčajne používajú na poskytnutie potrebného priestoru vo vnútri distálneho hrotu endoskopu. Flexibilná doska plošných spojov môže byť umiestnená pozdĺž pozdĺžnej osi ďalekohľadu a zaberá malý prierez. Pri montáži endoskopickej kamery je však flexibilný obvod vystavený ohybovým silám počas výroby aj prevádzky. Spájkované spoje spájajúce komponenty s doskou plošných spojov môžu byť týmto typom namáhania poškodené. V mnohých prípadoch k poškodeniu dôjde počas jedného postupu a výsledkom je strata obrazu.

 

Pevná{0}}flex doska plošných spojov umožňuje najlepšiu kombináciu tuhosti a flexibility. Niekoľko pevných segmentov dosky je umiestnených pozdĺž pozdĺžneho smeru ohybného jadra PCB. Umožňuje montáž obrazového snímača, LED diód a ďalších komponentov v určitých intervaloch. Výhodou tohto prístupu je, že spájkované spoje spájajúce komponenty s pevnou doskou nie sú ovplyvnené ohýbaním, čím sa eliminuje možnosť prasknutia alebo delaminácie. Flexibilita dosky plošných spojov sa využíva na umiestnenie dosky do distálneho hrotu endoskopu.

 

Tretia dimenzia

Pevná-flexibilná konštrukcia umožňuje využiť tretí rozmer vo vnútri distálneho hrotu endoskopu. Pri návrhu dosky plošných spojov sú komponenty umiestnené na pevných segmentoch v rôznych úrovniach a uhloch. Napríklad flexibilná doska plošných spojov môže byť niekoľkokrát zložená v rôznych výškach, aby sa do nej zmestil modul kamery, bočné kamery a LED diódy. Výsledkom je trojúrovňová{4}}pevná{5}}doska s plošnými spojmi, kde sú predná kamera a bočné kamery umiestnené v rôznych uhloch vzhľadom na stredovú os ďalekohľadu.

 

Na uchytenie zloženej pevnej-dosky s plošnými spojmi je potrebný pevný rám. Takýto rám je zvyčajne vyrobený z kovu a slúži ako chladič pre LED diódy a obrazový snímač. Pri osvetlení cieľovej oblasti pole LED vyžaruje svetlo a teplo. Rozptýlená energia musí byť odstránená z modulu kamery, aby sa zabránilo vplyvu teploty na jeho výkon. Toto je obzvlášť dôležité, keď sa endoskop používa v retrográdnom smere, pretože väčšina osvetlenia sa odráža od vnútorných tkanív.

Integrita signálu trojrozmernej tuhej{1}}flexnej dosky plošných spojov je zabezpečená špeciálnym usporiadaním uzemnení rozvodu energie a signálovej vrstvy. Pri usporiadaní elektrických spojov sa osobitná pozornosť venuje prechodu z pevných na flexibilné dosky plošných spojov. Doska plošných spojov využíva viacvrstvový dizajn na pevných aj flexibilných segmentoch. Vonkajšie vrstvy tuhého jadra poskytujú základnú rovinu, ktorá izoluje stopy signálu od elektromagnetického rušenia. Flexibilný segment má riadenú charakteristickú impedanciu na zníženie strát signálu a presluchov. Pri navrhovaní prechodovej oblasti sa prijímajú špeciálne opatrenia, aby sa zabránilo odrazom signálu, ktoré by skresľovali obraz.

 

Aby sa zabezpečila integrita signálu 4K video signálu, pevná -flexibilná doska plošných spojov vyžaduje odbornú-výrobu. Kvalifikovaný výrobca vykoná presnú kontrolu impedancie a použije správne materiály na minimalizáciu strát signálu. V prípade pevných segmentov budú výrobcovia používať pokročilé viacvrstvové{5}}konštrukcie s riadenými zemnými plochami. Pre flexibilné segmenty budú výrobcovia vykonávať presné laserové vŕtanie, aby sa zabezpečilo presné umiestnenie. Testy integrity signálu možno vykonať na všetkých prototypoch, aby sa dosiahol súlad s požiadavkami na integritu signálu. Lekárska endoskopová kamera bude schopná poskytnúť spoľahlivý obraz aj po tisíckach cyklov ohýbania pri bežnom používaní.

 

Materiály

Výber materiálov na výrobu pevných-ohybných dosiek plošných spojov je tiež dosť dôležitý. Zdravotnícke pomôcky sa často podrobujú prísnym sterilizačným postupom vrátane autoklávovania pri 134 stupňoch Celzia. Flexibilné dosky plošných spojov sú často vyrobené z polyimidového filmu potiahnutého medenou fóliou. Takéto materiály sú počas procesu delaminácie vystavené vysokým teplotám. Pri výbere materiálov je potrebné venovať osobitnú pozornosť koeficientom dielektrickej permitivity a disipačného faktora, aby sa znížili straty signálu.

 

Použitie materiálov, ako je polyimid Kapton, vyrobený pomocou technológie medenej fólie bez lepidla, znižuje možnosť delaminácie spôsobenej teplotnými zmenami počas autoklávovania. Súčasne použitie takýchto materiálov eliminuje emisie toxických látok pri vystavení vysokým teplotám. Jednou z najdôležitejších vlastností pri výbere materiálov pre pevné-flexibilné PCB je ich súlad s normou ISO 10993.

Výrobca musí mať rozsiahle skúsenosti s výrobou pevných{0}}flexných dosiek plošných spojov, aby si mohol vybrať tie správne materiály. Pri výbere materiálov pre flexibilné segmenty musí výrobca zvážiť ich polomer ohybu. Táto vlastnosť je obzvlášť dôležitá pri výrobe pevnej-flexibilnej dosky plošných spojov so zložitým trojrozmerným tvarom. Výber takých materiálov, ako je medená fólia bez lepidla, závisí aj od mechanickej pevnosti potrebnej pre dosku plošných spojov.

 

Výroba

Výroba pevných-flexných dosiek plošných spojov je zložitý a náročný proces. Na výrobu lekárskej endoskopovej kamery musí mať výrobca plošných spojov rozsiahle odborné znalosti v oblasti výroby pevných{2}}flexných plošných spojov. Výroba pevných-flex dosiek plošných spojov zvyčajne zahŕňa viac ako 80 krokov, od laminovania flexibilného jadra až po testovanie impedancie hotového produktu. Jednotlivé tuhé segmenty dosky plošných spojov sú vyrábané oddelene a následne spojené s pružným segmentom. Osobitná pozornosť by sa mala venovať presnosti polohovania pevných segmentov vzhľadom na flexibilný segment.

 

Pri výrobe pevných-flexibilných PCB je výber správneho dodávateľa kľúčový. Na rozdiel od spotrebnej elektroniky, zdravotnícke prístroje a zariadenia znamenajú vysoký stupeň zodpovednosti. Výrobcovia takýchto zariadení si preto musia starostlivo vybrať dodávateľa, ktorý má rozsiahle odborné znalosti v oblasti výroby pevných-flex PCB. Interakcia s dodávateľom by mala byť postavená na vysokej úrovni dôvery a dôvery v schopnosti zvoleného partnera. Hlavným cieľom je vyvinúť funkčný prototyp lekárskej endoskopovej kamery, ktorá spĺňa všetky technické špecifikácie.

 

Pevná-flexibilná konštrukcia umožňuje vývoj nových typov lekárskych endoskopov, ktoré sú menšie, presnejšie a pohodlnejšie pre pacientov. Pri vytváraní lekárskych endoskopov je zároveň nevyhnutné zvážiť všetky aspekty konštrukcie pevných-flexných dosiek plošných spojov. To znamená podrobnú analýzu požiadaviek na charakteristiky flexibilných a tuhých segmentov a určenie ich optimálneho usporiadania v rámci distálneho hrotu endoskopu. Integritu signálu trojrozmernej tuhej-flexibilnej dosky plošných spojov je potrebné zvážiť aj pri navrhovaní kamery endoskopu, aby sa zabezpečil spoľahlivý prenos videa. Materiály použité na výrobu pevných-flex PCB sú tiež veľmi dôležité, pretože musia spĺňať prísne požiadavky medicínskeho priemyslu.