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医疗可穿戴设备解决方案指南

概述

几十年来,Boyd一直在为从多层高级伤口护理到MRI和成像设备的冷却等应用开发医疗解决方案。医疗可穿戴设备是一个快速增长的细分市场,需要Boyd在为下一代应用开发更小、更轻、更高性能的解决方案方面拥有独特的专业知识。在本文中,Boyd 利用这些经验为优化的医疗可穿戴设备开发了工程材料和热解决方案的快速指南。本指南涵盖了保护、密封和冷却这些小型但至关重要的设备所需的技术,同时提高了可靠性、连接性、准确性和用户安全性。本文还重点介绍了如何最好地利用这些技术来减轻重量和到岸成本,并简化全系列医疗器械的供应链。

简介

目前,大多数主要行业都有一个全球趋势,即下一代设备具有比以往更快的处理速度,改进的功能和更高的性能。医疗设备行业也不例外,特别是对于颠覆性的,快速增长的医疗可穿戴设备领域,其中新一代和下一代设备需要更高的准确性,连接性,功能性,可靠性和易用性。这需要改进的创新技术,以满足极其严格的可穿戴性设计规范,如尺寸、重量、触摸温度和几何形状。

医疗可穿戴设备已经远远超出了简单的传统监视器和助听器,通过连接软件,生物传感器和智能跟踪器嵌入从手镯和手表到服装,眼镜和智能辅助工具的所有设备中,进行复杂的患者监测。这些设备需要集成系统来满足客户的期望,包括保证的可靠性和准确性,舒适性和易用性,纤薄的美感和实时结果。

医疗可穿戴设备可以采取多种形式。具体的设备设计形式将遵循功能需求,主要基于传感器的电气性能要求和耐磨性因素,如磨损时间,易应用或拆卸以及皮肤敏感性。这些因素,以及单位成本,制造便利性,法规和合规性问题以及美学将推动设计和材料选择。

本指南涵盖工程材料和散热解决方案,这些解决方案有助于使这些新技术成为可能,从而实现性能更好,重量更轻,更可靠的差异化可穿戴医疗设备。

医用可穿戴设备
可穿戴医疗设备拆解

为什么需要材料和热解决方案

可穿戴医疗设备受到各种环境和条件的影响,患者使用过程中的磨损以及其他电子设备或运动的潜在干扰。工程材料可对抗这些危害,并使设备以最佳性能工作,通过准确的报告在设备性能和患者安全中发挥至关重要的作用。工程材料解决方案包括环境密封、提高性能和舒适度的材料、EMI 和 NVH 防护、粘附在患者皮肤上以及额外的集成,以实现所需的功能和使用寿命,同时减轻重量和空间。

除工程材料外,功率和处理速度提高或在各种环境和极端温度下长时间使用消费者的电子产品也依赖于散热解决方案来传播、阻挡或屏蔽热量,消除热点或将废热从敏感电子设备中传导出去。这包括石墨和材料传导散热,小板级散热器以及两相冷却技术,如蒸汽室和超薄热管。

通过将多种工程材料和热技术集成到高效的多功能解决方案中,Boyd开发更薄、更轻、性能更好的产品,同时减少材料浪费,降低到岸成本,并简化供应链。

复合垫片

医疗可穿戴设备的工程材料注意事项

垫片和密封解决方案

垫片具有柔韧性和弹性,最常用于加固设备和提高耐用性。它们可吸收冲击和振动,以防止电子设备损坏、屏幕破裂以及液体和灰尘进入。许多医疗可穿戴设备都包含内部缓冲垫片层,可保护精密的内部电气组件和连接。内垫可以是从软泡沫层模切的简单二维形状,或者如果需要口袋或空腔等三维特征,则可以使用热成型或模制泡沫组件。

内垫可以包含通孔,以允许来自板安装LED的光线通过覆盖层照亮电源按钮和徽标。

将垫片与热扩散、电气绝缘和静电耗散密封相结合,以实现更安全、更高的应用性能。通过将多种工程材料和热技术集成到一个高效的垫片解决方案中,Boyd开发了一种简化的多功能组件,以提高装配效率并简化采购复杂性。

由于设备的尺寸和复杂性以及医疗标准,需要在独特,精确的几何形状中实现极高的公差。创新和简化的转换方法和洁净室确保垫片、密封件和垫片组件满足并超过这些严格的要求。

环境密封与保护

由于这些设备可在各种环境中持续使用,因此需要保护材料来确保长寿命、耐用性和可靠性。颗粒和液体进入是户外暴露和长期使用中最重要的危害之一,因为任何灰尘或液体都可能导致降解,可靠性损失甚至设备故障,这可能会对用户的健康造成伤害。防水、密封输入/输出和充电器端口、盖子、网眼和表面保护等保护材料对于保持可穿戴设备的密封性是必要的。医用可穿戴设备通常包含保护层,可以根据透气性选择长磨损时间或防水以保护内部电气元件。为了美观性能,该层可以是可印刷的薄膜或模制组件,具有独特的形状或特征。

可能导致损坏或冲击性能的其他危险是冲击,噪音和振动。这些条件可能会使机械和粘合接头疲劳,使电气元件失效,或在瞬态冲击下造成损坏,从而降低产品的可靠性。这些因素还会通过过度的振动感或过度或不需要的噪音对最终客户体验产生负面影响。集成可有效吸收、抑制或隔离通过产品传输的能量的组件,可为最终用户提供更高的耐用性和更平稳、更可靠的性能。

导电性、绝缘和屏蔽

医疗可穿戴设备通常包括微量层电路,用于将皮肤接触的水凝胶电极连接到PCB,以传导和捕获患者信号和数据。有不同的方法可以实现这一点,例如将柔性铜走线合并到柔性电路中,但一种常见的方法是使用导电油墨将电走线打印到支撑膜上。导电水凝胶用作导电介质,使生物传感器或可穿戴设备按预期工作。特定的水凝胶是根据应用的性质(传感或刺激)和其他耐磨性因素来选择的。

为了确保医用可穿戴设备的适当电气性能,防止外部环境也很重要;既可以避免电气短路,又可以防止可能干扰或损坏敏感电气元件的电磁噪声。这通常涉及使用电气绝缘以及EMI / RFI屏蔽,吸收和接地技术。

电气绝缘功能可用作电气屏障或屏蔽,并且需要防止短路,电弧甚至点火,这些短路,电弧甚至点火可能会危及用户,损坏产品并影响产品的可靠性。电绝缘体可以由高电阻率材料制成,并转换为高度定制的几何形状和结构,以满足特定的应用需求。

电磁干扰(EMI)绝缘和屏蔽是医疗可穿戴设备设计中同样重要的功能。由于来自各种自然和人工来源(包括其他电子设备)的电磁波的扩散,EMI可能导致性能不稳定和精度下降的问题。通过适当地吸收或屏蔽EMI,确保长期、一致的性能。

医用级皮肤接触粘合和粘合剂

粘合剂是一种经济高效的方式,可以在设备内引入机械附着力和强度,以及其他优点,例如可压缩泡沫胶带中的振动管理。医用级皮肤接触粘合剂用于将可穿戴设备和生物传感器安装或放置在患者身上。特定的皮肤接触材料是根据应用的需要选择的,并且可以由各种皮肤友好的材料制成。应用需求可能包括预期的磨损时间、易于拆卸和靠近伤口部位。

皮肤接触粘合剂通常包含泡沫背衬层,以提供额外的舒适性和灵活性。这些也经常用于需要电极的设备。

输送衬与皮肤接触粘合剂一起,在应用前保护医用可穿戴粘合剂免受污染物侵害。组装的医疗可穿戴贴片和生物传感器通常呈现在医疗级输送衬垫上,该衬垫可以设计为帮助医疗保健提供商应用流程。超大号眼线笔或带拉片的眼线笔可用于涂抹在皮肤上时易于操作。可以使用两件式衬垫,无论是分开的还是像典型的绷带一样的折叠标签。

声学

下一代医疗可穿戴设备可放大声音并提供通知,从而提供更好的音调、控制和音量,以实现更好的可听性和用户体验。这是一个重要的功能,因为通知通常对患者的健康或福祉很重要。声学网眼是专门的微织面料,提供防水和防尘保护,同时在可听频率范围内提供声学透明度。

显示

医用可穿戴显示器在使用时,必须对所有年龄段的用户都清晰易读,准确且易于使用。医疗器械容易受到掉落的机械冲击,一般磨损以及灰尘或水的暴露;因此,医用可穿戴显示器必须耐用且密封良好。

医用可穿戴设备的流行显示解决方案:

  • 防眩光和安全薄膜 减少显示器眩光和反射,提高不同自然光和人造光水平和来源的各种使用环境中的屏幕易读性。
  • 亮度增强薄膜非常适合在黑暗环境中进行背光和观看。集成到显示器背光架构中,以增加亮度、减轻重量、减轻热量并提高医疗可穿戴显示器的电源效率。
  • 光学透明粘合剂和边框粘合 使用超透明粘合剂提高机械强度,使光学透明组件能够通过最佳折射率和折射率匹配来传输尽可能多的光线。粘合剂具有高尺寸稳定性,低收缩率,并且随着时间的推移耐白化。将层与正确的OCA集成在复杂的光学透明层压中实现坚固耐用的粘合。

    OCA还提供入口保护并减小边框所需的宽度,以最大化屏幕空间,更好地防水显示器,保护其免受污染物侵害,并创造整体更好的用户体验。OCA通常与边框粘合技术和集成的医用可穿戴显示器垫圈一起使用,以实现高性能,超紧密的公差,流线型触摸显示器支架。
  • Boyd分段框架工艺分段框架技术是一种高精度的卷对卷制造工艺,利用Boyd专有的高速生产线来消除浪费,最大限度地提高材料利用率并优化部件成本。通过间隔和定向离型衬纸、粘合胶带、光学薄膜和光学透明粘合剂,可以消除材料浪费,从而减少材料切割以最大限度地提高产量,同时组件以零间隙公差进行组装,从而确保出色的质量和效率,从而降低着陆成本。

医疗可穿戴设备的散热注意事项

医疗可穿戴设备的处理能力、智能功能和连接性的提高产生了更多的热量。这种热量会导致高触摸温度、设备过热和故障,以及精度和性能下降。实施散热,快速高效地将热量从敏感组件上移开,更有效地散热,并防止达到临界温度。散热方法可轻松与工程材料集成,用于多功能显示系统,从而实现简化的供应链和更低的到岸成本。

医用可穿戴设备的流行散热解决方案:

  • 石墨焊盘和薄膜 - 用于改善面内导热性,具有低质量和高传热性。它们在超薄、易于集成的几何形状中提供高性能和均匀的散热。
  • 热管和蒸汽室 - 超薄外形尺寸的卓越散热和长期可靠性。厚度为0.4mm的铜和不锈钢蒸汽室的导热系数是石墨撒布机的4倍。对于超高性能应用,厚度为0.4mm的蒸汽室的导热系数是石墨撒布机的12至18倍。
  • 柔性热管技术 - 在可移动组件或可弯曲组件中实现更大的设计灵活性并改善传热。
  • 热界面材料 - 通过传导冷却和散热来改善热源与热管理系统之间的界面。它们还可以提供机械强度,减振和附着力,并且可以单独使用或与其他技术集成。
  • 板级冷却 - 冷却 PCB,用于处理和设备控制。PCB可以具有单个或多个热源,并且通常在器件内产生最多的热量。
  • 隔热罩 - 阻止辐射热量从热部件传递到敏感表面、设备和系统。这些轻巧、薄型和灵活的解决方案是在最小到零间隙区域进行轻量化的理想选择。他们还可以提供:
    • 抗紫外线
    • 可燃性或耐火性
    • 撕裂和穿刺阻力
    • 火焰阻挡
    • 易于清洁
    • 蒸汽 + 流体阻塞
    • 防潮、腐蚀和耐溶剂
热屏蔽
石墨一体化解决方案

集成和流程

通过利用更新、先进的工艺和集成解决方案,工程师可以提高材料利用率,降低浪费成本,简化供应链和终端设备组装,并最大限度地提高可靠的功能,从而降低总体到岸成本并增强患者体验。医疗可穿戴应用需要创新的制造工艺,以实现极其严格的精密装配公差,并且很少或不会浪费昂贵、创新、性能增强的材料。洁净室制造、高质量控制以及快速原型设计和设计加快了产品上市速度,以更低的总体成本实现符合医疗标准和法规的大批量全球生产。

Boyd是评估完整系统设计的专家,以确定具有制造潜力的互补组件,并以简化的装配方式交付给客户。Boyd将多达12个独特的,单独的物料清单项目折叠成一个简化的组件;帮助加快设计、制造和交付周期,提高质量和公差,并减小设备尺寸、重量、供应链复杂性和物流成本。像这样的专业技能和流程以及Boyd的分段框架“零间隙”公差垫片可减少材料浪费,从而帮助客户提高性能并更好地管理总成本。

几十年来,Boyd与世界领先的医疗材料创新者、全球供应商和设计工程师建立了战略合作伙伴关系。这些合作伙伴关系,加上全球制造创新和设施,使Boyd能够保持在医疗可穿戴设备开发和创新的最前沿。这为最广泛的材料、供应商(包括 3M 和 Nitto)、专用流程和全球医疗应用制造产品组合做出了巨大贡献。

多个集成组件 - 一次制造

Boyd在ISO 13485认证质量管理体系下运行的设施中进行先进的旋转模切制造是一门工业科学,它改进了专有工艺,以切割和组装多种材料组件,这些组件可以在一个复杂的堆栈中具有各种原材料和厚度,并具有独特的组件配置和功能。每个输入组件都使用专有的工业设计技术进行切割并引入旋转生产线,并在一次通过生产线时以极其严格的公差进行组装。随着不断的研究和开发,创新和复杂性每月增加,以推进可实现的目标。客户受益于更高的精度、更快的周转时间、更短的交货时间、更高的性能、更薄的解决方案和更高的成本效益。

洁净室制造和配套

制造和组装用于高质量医疗应用的组件需要一个清洁和受控的环境。暴露于污染物的敏感组件可能会导致灾难性问题。异物碎片(FOD)会增加粘合剂和薄膜组装缺陷,从而导致较低的良率。Boyd Corporation拥有FDA注册的设施,并符合现行的良好生产规范(CGMP),以确保产品和组件符合我们客户的严格质量要求和行业标准。我们的洁净室环境定期通过国际公认标准的认证,从100级到100K级,可满足各种清洁需求。

努力降低到岸成本和供应链

Boyd在先进医疗级材料方面长期处于市场领先地位,在医疗设计工程,环境保护,热扩散,屏蔽和高公差转换方面具有竞争优势。与世界领先的医疗材料创新者建立了牢固的关系,并与领先的医疗组织建立了众多现有的供应商代码,这意味着Boyd已经建立了设计合作伙伴关系和物流,以便轻松集成到您的价值链中。Boyd广泛的材料供应合作伙伴关系确保了尽早和持续地获得全球性能最佳,技术最先进的原材料。Boyd通常是这些原材料创新者的全球首选加工合作伙伴,其关系可追溯到50年以上,制造工艺和洁净室环境经过优化,可处理和制造敏感材料。

下一步是什么?

医疗可穿戴设备市场正在增长,并且随着全球人口变得更加健康意识和创新实现新功能,市场将继续增长。随着新产品和品牌进入市场,设计和行业要求将变得更加具体,市场差异化将是关键。集成的材料和散热解决方案对于行业增长和差异化至关重要,因为它们可以提高性能,简化使用,长期可靠性和最大耐用性,同时重量非常轻巧,并提供高功能和连接性。

凭借数十年的创新专业知识、经验和供应商合作伙伴关系,再加上将多种技术集成到简化产品中的独特方法,Boyd将继续保持在创新和改进医疗可穿戴设备组件制造的最前沿,同时降低到岸成本。如果您希望解决当前问题或为下一代应对新挑战,请首先联系Boyd,了解有关医疗可穿戴设备的工程材料,热解决方案,定制和改进工艺的更多信息。

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