Un endoscope par capsule est sans fil - alors pourquoi a-t-il besoin de câble ? C'est la question que nous posent les ingénieurs qui rencontrent l'endoscopie par capsule pour la première fois. La réponse révèle un coin intéressant decâble coaxial microl'ingénierie où "ultra-fin" prend un sens qui rend le 42 AWG volumineux. À l'intérieur du corps de la capsule, des capteurs d'image CMOS comme l'OV6946 se connectent à l'électronique de traitement via des interconnexions micro coaxiales de 5 à 15 mm de long et de 0,2 à 0,3 mm de diamètre. Et dans les systèmes de capsules reliées - la catégorie en pleine croissance qui permet aux cliniciens de diriger la capsule plutôt que d'attendre la péristaltique - des câbles micro coaxiaux externes parcourent toute la longueur du lien, transportant vidéo et énergie à travers un conduit plus fin qu'une ligne de pêche.
C'est l'ingénierie des câbles à la limite de ce qui est manufacturable. À 48-50 AWG, les brins de conducteur individuels mesurent 12-16 µm de diamètre - plus fins qu'un cheveu humain. L'épaisseur de la paroi diélectrique est de 0,03 mm. Les fils de blindage sont plus fins que le ressort d'une montre mécanique. Tout le processus de fabrication fonctionne à des tolérances que l'équipement de production de câbles standard n'était pas conçu pour.
Deux défis différents en matière de câbles dans l'endoscopie par capsule
Interconnexions internes des capsules
À l'intérieur d'un dispositif d'endoscopie par capsule - qu'il s'agisse d'un Given Imaging/Medtronic PillCam, d'une EndoCapsule Olympus, ou d'un nouvel entrant - le capteur d'image, les LED, l'ASIC de traitement, l'émetteur RF et la batterie sont regroupés dans un cylindre d'environ 11 mm × 26 mm. Les interconnexions entre ces composants sont extrêmement courtes (5-15 mm) mais doivent être blindées car les données vidéo numériques à haute vitesse (MIPI CSI-2 ou similaire, horloge de 100+ MHz) rayonneraient autrement dans l'émetteur RF MICS de 402-405 MHz de la capsule, dégradant la qualité du lien de données.
Ces interconnexions internes utilisent des éléments micro coaxiaux de 48-50 AWG, souvent juste 2-4 canaux pour l'interface de données de la caméra. La longueur du câble est si courte que l'atténuation est sans importance - même à 50 AWG avec 6+ dB/m d'atténuation à 100 MHz, un câble de 10 mm perd 0,06 dB. Les contraintes de conception sont purement dimensionnelles : le câble doit s'intégrer dans l'espace restant après le placement de la batterie, de l'empilement de lentilles et de l'électronique, et il ne doit pas interférer avec le motif d'antenne RF de la capsule.
Câbles de capsules reliées
L'endoscopie par capsule reliée est un segment en croissance qui répond à la principale limitation des capsules sans fil - le clinicien ne peut pas contrôler où va la capsule. Une capsule reliée est suspendue à un câble fin (1-2 mm de diamètre total) qui permet à l'opérateur d'avancer, de rétracter et de faire pivoter la capsule pendant l'examen. Le lien doit généralement transporter le signal vidéo (analogique ou numérique, nécessitant un micro coaxial), l'énergie pour l'illumination et l'imagerie, et les signaux de contrôle pour tout mécanisme de direction motorisé.
Le câble de liaison mesure 50-150 cm de long et doit être suffisamment flexible pour suivre l'anatomie œsophagienne et gastrique sans causer d'inconfort au patient. À ces longueurs, l'atténuation du signal devient un véritable facteur de conception - un câble de 48 AWG à 100 MHz perd environ 5 dB/m, donc un lien de 1,5 m perd 7,5 dB dans chaque sens. Le budget du signal doit tenir compte de cette perte tout en maintenant une qualité d'image adéquate.
| Paramètre | Interconnexion Interne de Capsule | Capsule Reliée (Œsophagienne) | Capsule reliée (tractus GI) |
|---|---|---|---|
| Longueur de câble | 5–15 mm | 30–60 cm | 80–150 cm |
| Nombre de canaux | 2–4 | 4–8 | 4–12 |
| AWG | 48–50 AWG | 46–48 AWG | 44–46 AWG |
| OD de l'élément | 0.18–0.22 mm | 0.22–0.28 mm | 0.28–0.36 mm |
| OD total du câble | 0.4–0.8 mm | 0.8–1.2 mm | 1.0–1.8 mm |
| Principal moteur de conception | Taille minimale, confinement EMI | Flexibilité, confort du patient | Budget de signal, durée de flexion, biocompatibilité |
| Méthode de terminaison | Micro-soudure au laser / adhésif conducteur | Micro-soudure au laser / micro-soudure | Micro-soudure |
| Stérilisation | EtO (intégré dans la capsule) | Plasma d'EtO ou de H₂O₂ | Plasma d'EtO ou de H₂O₂ |
| Biocompatibilité | Encapsulé (sans contact avec le patient) | ISO 10993 (contact muqueux) | ISO 10993 (contact muqueux) |
Fabrication à 48-50 AWG : Quels changements
Tout ce qui est routinier à 42 AWG devient un défi de processus à 48-50 AWG. Les différences de fabrication ne sont pas simplement des versions réduites des processus standard - elles nécessitent des techniques fondamentalement différentes.
Brins de conducteur :Un conducteur de 50 AWG utilise 7 brins de fil d'environ 58 AWG - chaque brin mesure 12 µm de diamètre. Pour référence, un cheveu humain typique mesure 70 µm. Ces brins doivent être torsadés ensemble avec une tension uniforme pour éviter la rupture des brins, puis le conducteur terminé doit être manipulé sans pliage ni étirement. Les dévidoirs de fil standard et les cabestans ne peuvent pas contrôler la tension suffisamment finement à ces dimensions. Nous utilisons des dévidoirs à coussin d'air avec un contrôle de tension de ±0,2 gramme pour le torsadage de 50 AWG.
Application diélectrique :À 50 AWG, l'épaisseur de la paroi diélectrique est de 0,025-0,035 mm. L'extrusion de PTFE solide à cette épaisseur est impraticable - les tolérances de matrice requises seraient sub-microniques. Au lieu de cela, nous utilisons un enroulement de bande PTFE avec des largeurs de bande de 1-2 mm, enroulées hélicoïdalement sous tension contrôlée. Le chevauchement de la bande doit être constant pour maintenir une constante diélectrique uniforme le long de la longueur du câble. Une variation de 5 % dans le chevauchement de la bande produit une variation d'impédance mesurable aux fréquences pertinentes pour le signal vidéo numérique.
Blindage :Les blindages tressés à 50 AWG sont possibles mais extrêmement difficiles - le diamètre du fil de tressage tombe à 15-20 µm, et les tensions de la machine de tressage doivent être contrôlées pour éviter la rupture du fil de tressage. De nombreux designs de 50 AWG utilisent des blindages enroulés (enroulés en spirale) au lieu de tressés, acceptant la couverture inférieure et les propriétés de blindage directionnel en échange d'une construction manufacturable. Pour la capsuleApplicationsoù le câble est très court et doit principalement contenir les émissions plutôt que de rejeter le bruit externe, un blindage enroulé avec une couverture de 75-80 % est généralement adéquat.
Terminaison :À 50 AWG, le conducteur central est trop fin pour un mouillage conventionnel de la soudure. La tension de surface de la soudure à l'extrémité d'un fer à souder standard est en réalité plus grande que le conducteur lui-même. Nous utilisons deux méthodes de terminaison alternatives : le micro-soudage au laser YAG avec un spot de faisceau de 5-10 µm, qui fusionne le conducteur directement au pad PCB sans soudure ; et le collage adhésif conducteur utilisant de l'époxy chargé d'argent distribué avec une aiguille de 50 µm et durci à 120-150 °C. Les deux méthodes nécessitent un grossissement de 60-100× et des étapes de positionnement de micro-manipulateur avec une résolution sub-micronique.
Le défi de connexion OV6946
L'OmniVision OV6946 est le capteur d'image dominant dans l'endoscopie par capsule - un capteur CMOS de 400×400 pixels dans un boîtier de 0,65 mm × 0,65 mm. Son interface de sortie nécessite 2-4 connexions micro coaxiales pour les voies de données MIPI plus l'alimentation et la masse. L'espacement des pads sur l'OV6946 est de 0,25 mm - laissant environ 0,15 mm de dégagement entre les terminaisons de câble adjacentes après avoir pris en compte la zone d'atterrissage du conducteur.
À 48 AWG (OD de l'élément 0,24 mm), les éléments de câble ont presque la même largeur que l'espacement des pads. Le routage de quatre éléments côte à côte sur quatre pads adjacents nécessite un dispositif de fan-out précis et une terminaison sous un fort grossissement. Nous avons développé un dispositif d'alignement dédié pourla terminaison de câble OV6946qui maintient les éléments de câble à l'espacement correct pendant que les soudures au laser sont effectuées de manière séquentielle. Même avec le dispositif de fixation, le processus prend environ 12 minutes par connexion de capteur et atteint un rendement de 78-83 % au premier passage.
Le chiffre de rendement est important pour comprendre l'économie des câbles d'endoscopie par capsule. Avec un rendement de 78 % au premier passage sur la terminaison côté capteur et de 85 % sur la terminaison côté carte, le rendement composite pour un assemblage de câble complet est d'environ 66 %. Un assemblage de câble sur trois nécessite une reprise ou un rebut. Ce rendement fait grimper le coût unitaire au-delà de ce que les matières premières pourraient suggérer et est l'objectif principal de notre travail d'amélioration des processus en cours.
Biocompatibilité et contact avec le patient
Les interconnexions internes de la capsule sont entièrement encapsulées à l'intérieur du corps scellé de la capsule - elles ne contactent jamais les tissus ou les fluides corporels, donc elles ne nécessitent pas de test de biocompatibilité ISO 10993 sur le câble lui-même (le boîtier de la capsule est la barrière biocompatible).
Les câbles de capsule reliée sont une autre histoire. Le lien passe par la cavité buccale, l'œsophage et potentiellement dans l'estomac. Le matériau de la gaine du câble doit être biocompatible pour un contact muqueux selonles catégories ISO 10993pour les dispositifs de contact de surface avec une durée d'exposition limitée. Le FEP est le matériau de gaine standard pour les câbles de capsule reliée - il est lisse (faible friction contre les surfaces muqueuses), biocompatible et résistant à l'exposition à l'acide gastrique.
Le marché des capsules reliées croît plus rapidement que celui des capsules sans fil, ce qui a des implications intéressantes pour la demande en câbles. Les capsules sans fil n'utilisent que de courts interconnexions internes—quelques centimètres de câble par appareil. Les capsules reliées nécessitent 50 à 150 cm de câble externe par appareil. Un programme de capsules reliées produisant 50 000 unités par an consomme environ 50 à 75 kilomètres de câble coaxial micro ultra-fin chaque année—un volume substantiel pour des câbles de 46 à 48 AWG. Nous constatons un intérêt croissant de la part des développeurs de capsules reliées pour qualifier les chaînes d'approvisionnement en câbles dès le début de leurs programmes de développement, car les délais de production de câbles de 48 à 50 AWG à ces volumes peuvent être de 8 à 12 semaines entre la commande et la livraison.
Un autre aspect qui prend les développeurs de capsules au dépourvu est le fardeau des tests de fiabilité. Même pour les capsules reliées à usage unique, les organismes de réglementation s'attendent à des preuves que le câble ne faillira pas pendant la procédure. Cela signifie des tests de flexibilité au minimum du rayon de courbure du câble (simulant le passage à travers l'oropharynx), des tests de force de traction sur le câble (le clinicien doit être capable de retirer la capsule sans séparation du câble), et un vieillissement accéléré pour valider une durée de conservation de 2 à 5 ans dans un état stérilisé emballé.
Si vous développez un système d'endoscopie par capsule—qu'il soit sans fil ou relié—et avez besoin de soutien en ingénierie pour le câble coaxial micro ultra-fin,partagez votre spécification d'interface de capteur, le nombre de canaux et le diamètre extérieur cible du câble. Nous maintenons des programmes actifs tant pour les interconnexions internes des capsules que pour les câbles des capsules reliées à 46-50 AWG et pouvons généralement fournir une évaluation de faisabilité et un calendrier de prototype dans un délai de deux semaines.
Produits Connexes
FRS Technology fabrique des ensembles de câbles coaxiaux micro multi-coeurs sur mesure de 4 à 512 coeurs, 36-50 AWG, appariés de phase à +/-1 %. Produits liés à ce sujet :
Envoyez votre dessin ou votre fiche technique etobtenez un devisdans les 48 heures. Les quantités de prototype commencent à 5 assemblages.
