Инновации в конструкции повышают эффективность составного медицинского стола

• Цельнокомпозитная поверхность стола, боковые поручни и дополнительная хирургическая рука увеличивают площадь прозрачности рентгеновских лучей.
• Эластичные композитные секции в системе соединения рельсов и шарниров позволяют использовать систему откачки воздуха для надежного крепления медицинского оборудования к столу.
• Технологии служат трамплином для будущих технологий соединения композитных материалов.

Композиты из углеродного волокна часто используются для изготовления поверхностей хирургических столов. В отличие от металла или других материалов, композиты из углеродного волокна прозрачны для рентгеновских лучей, что полезно при получении рентгенографических изображений пациентов. Однако, как выяснил WIT-Composites (Люблин, Польша), традиционная конструкция стола для осмотра не всегда наиболее эффективна для нужд медицинских работников.

WIT-Composites специализируется на высокотехнологичных компонентах из углеродного волокна, отверждаемых в автоклаве, для клиентов на различных рынках, в том числе в сфере здравоохранения. В 2017 году Майкл Вит-Русецки, директор по исследованиям и разработкам WIT-Composites, и его команда начали слышать от клиентов из медицинской отрасли о проблемах, с которыми сталкивается медицинский персонал при выполнении кардиохирургических, сосудистых, нейрохирургических и ортопедических операций с использованием составных столов. Он объясняет, что такие операции часто требуют рентгеновского снимка во время процедуры.

«Мы узнали, что одна из основных проблем, когда дело доходит до проведения различных тестов и оказания медицинских услуг, даже на медицинских столах с композитными, рентгенопрозрачными поверхностями, заключается в том, что все разъемы, на которых инструменты прикреплены к столу, являются сделаны из металла », - говорит он. Это означает, что для определенных процедур или тестов, требующих прозрачности рентгеновских лучей, медицинскому персоналу может потребоваться несколько раз перемещать или перемещать пациентов во время процедуры, чтобы избежать участков стола, непрозрачных для рентгеновских лучей.

«Мы провели интервью и маркетинговые исследования с врачами в Польше, чтобы убедиться, что действительно существует реальная потребность в новом решении в этой области, и мы многому научились», - добавляет Вероника Сошиньска, управляющий директор WIT-Composites. Например, она говорит, что анестезиологи рассказали им о том, сколько капельниц, электродов и другого оборудования, подключенного к пациентам, может смещаться, когда пациентов нужно перемещать. «Есть много вопросов, о которых вы не задумываетесь, и врачи, с которыми мы говорили, сказали, что были бы очень рады, если бы удалось найти решение», - говорит она.

При финансовой поддержке Европейского фонда регионального развития в рамках инициативы «Операционная программа Smart Growth 2014–2020» отдел исследований и разработок WIT-Composites в течение следующих двух лет работал над дизайном медицинского стола, который был бы полностью составным, включая рельсы и соединительные системы. По словам Вит-Русецкого, это был не такой простой процесс, как ожидалось.

Сложные компоненты приводят к материальным инновациям

Рис. 1. Моделирование нагрузок. При проектировании поверхности стола WIT-Composites смоделировала прогиб материала под нагрузкой (верхнее изображение) и распределение веса (нижнее изображение), чтобы гарантировать, что поверхность имеет требуемую жесткость и устойчивость к износу в соответствии с распределением веса пациента. Фотография предоставлена, все изображения:WIT-Composites

«Мы решили спроектировать всю систему:поверхность операционного стола, боковые перила и элемент петли - все из композитных материалов», - поясняет Вит-Русецки. Также была разработана дополнительная ортопедическая рука, которая будет использоваться во время операций, также сделанная из композитных материалов. Каждый из этих компонентов сопряжен со своими проблемами при проектировании и механическими требованиями, в результате чего потребовался двухлетний процесс проб и ошибок.

«Мы выполнили различные проекты НИОКР, изучая различные составы материалов, пробуя разные волокна от разных поставщиков и по-разному наслаивая эластомеры и углепластик / эпоксидный препрег», - говорит Вит-Русецки. Однако он признает, что команда изначально столкнулась с несколькими проблемами, связанными с материалами, включая трещины в композитных ламинатах, разницу в весе и свойствах материалов между материалами от разных поставщиков и, что самое сложное, по словам Вит-Русецки, - трудности с балансировкой эластичности. свойства против требований нагрузки в различных разделах таблицы.

Сначала конструкции были проанализированы с помощью таких программ, как SolidWorks (Dassault Systèmes, Уолтем, Массачусетс, США), CATIA (Dassault) и NX (Сименс, Плано, Техас, США) и протестированы на определенные параметры, такие как деформация и эластичность. Итерационные физические образцы были испытаны на прочность в сертифицированной внешней лаборатории, а трибологические испытания поверхности на твердость и износостойкость были выполнены собственными силами на испытательном стенде собственной разработки компании.

Выбор материала для отдельных компонентов был сделан на основании результатов испытаний, включая углепластик / эпоксидный препрег и, для дополнительной эластичности, местное нанесение слоев каучукового эластомера. По словам Сошиньской, слой эластомера создает композит, который одновременно является гибким (с переменным модулем Юнга) и устойчивым к резким изменениям нагрузки.

Для каждого из компонентов полномасштабного прототипа листы слоистого препрега из углеродного волокна и эластомеров были разрезаны по форме, помещены в формы, разработанные и изготовленные WIT-Composites, запакованы в вакуумные мешки и отверждены в автоклаве.

Дизайн поверхности стола, направляющих и петель

Что касается поверхности стола, основные соображения включали адекватную прозрачность для рентгеновских лучей, способность выдерживать нагрузки пациента в ключевых точках в соответствии со стандартами IEC EN 60601-2-46 и стандарты ASTM по износостойкости и твердости поверхности. Максимальный прогиб под нагрузкой в ​​соответствии со стратегией распределения веса был ограничен менее 42,56 миллиметров; Грузоподъемность столешницы составляла 225 кг (496 фунтов). Максимальный прогиб на столешнице происходит в центральной части стола, где будет торс пациента. Это было вызвано созданием пустоты во внутренних компонентах стола для обеспечения необходимой прозрачности для рентгеновских лучей (рис. 1).

Рис. 2. Переломный момент. Механическая рука прикрепляется к направляющим стола с помощью специально разработанных шарнирных соединителей в форме персонажа видеоигры Pac-Man. Петли могут легко скользить вокруг прикрепленных компонентов благодаря слоям эластомеров между слоями препрега, который расширяется, чтобы зафиксироваться на месте, и сжимается, обеспечивая движение, когда воздух нагнетается в полую полость или удаляется из нее. Разработка этой петли стала поворотным моментом в конструкции настольной системы.

По словам Вит-Русецки, сам стол был достаточно простым в проектировании, если выполнялись механические требования, так как несколько существующих композитных медицинских столов уже представлены на рынке, чтобы служить в качестве основы. Однако для создания полностью композитной системы потребовалось, чтобы команда спроектировала и спроектировала набор изготовленные по индивидуальному заказу композитные направляющие для каждой стороны поверхности стола, заменяющие обычные металлические направляющие, и некоторый тип системы соединения для медицинского оборудования, на котором можно подвешивать во время процедур.

Перед созданием прототипа команда разработчиков разработала несколько десятков идей для различных систем соединения, основанных на всем, от форм, встречающихся в природе, до дверных петель, и выполнила моделирование методом конечных элементов (FEM), чтобы сузить список до трех наиболее многообещающих вариантов. Команда построила формы и физические прототипы трех вариантов для тестирования, чтобы проверить грузоподъемность.

В окончательный прототип системы вошли две конструкции соединения. Наиболее эффектный дизайн считался «поворотным моментом» всего проекта. Внутри называется «Pac-Man» из-за своей формы, полый цилиндрический компонент помещается между двумя параллельными композитными стойками, которые выступают из конца стола. Этот цилиндрический компонент образует шарнир для соединения подвижной ортопедической руки с конца стола (рис. 2).

Самая большая проблема этого шарнирного компонента - это его двойная функция:он должен быть не только подвижным, чтобы можно было вращать рычаг, но он также должен фиксировать рычаг на месте после того, как он был перемещен в желаемое положение. Чтобы добиться этого, WIT-Composites разработала стратегию, в которой используется насос сжатого воздуха, который уже установлен на многих операционных столах. Большая часть внешней оболочки компонента сделана из жесткого препрега; углубление внутри цилиндра, похожее на Pac-Man, выполнено тонким слоем препрега, выполненным эластичным слоем эластомера. Трубка, прикрепленная к насосу сжатого воздуха, нагнетает воздух во внутреннюю полость детали, которая расширяет эластичный участок кожи, прижимая ее к блокирующему рычагу и предотвращая движение. Когда воздух выходит из полости, гибкая стенка сжимается, обеспечивая перемещение петли. «Конечная форма соответствует предполагаемым параметрам прочности, и в течение секунды с помощью сжатого воздуха, который имеется в каждой операционной, операционная насадка может быть установлена ​​на боковую направляющую столешницы», - говорит Сошиньска.

Рис. 4. Композитные соединения. На этом поперечном сечении петли в стиле Pac-Man (1) показано, как она сочетается с медицинскими инструментами и композитными ортопедическими руками (2).

Используя тот же гибкий композит и конструкцию воздушного насоса, WIT-Composites также разработала фиксируемый зажимной механизм для рельсов, обеспечивающий устойчивость медицинских инструментов по бокам стола (рис. 3 и рисунок).

«Универсальность этого решения характеризуется тем, что его можно использовать в качестве соединителя для трубчатых элементов и шарнирных штифтов, часто используемых в ортопедических приспособлениях во время операций на ногах, тазе или позвоночнике», - говорит Сошиньска.

«Мы добились того, что теперь нет необходимости перемещать пациентов во время операции», - добавляет Вит-Русецкий. «Для этого проекта мы должны были использовать все наши возможности, в том числе конструкцию материалов, а также производственные технологии».

Коммерциализация, новые рынки

Имея успешный дизайн, WIT-Composites теперь стремится к партнерству с производителем медицинского оборудования для поставки композитных компонентов для линейки продуктов для хирургических столов. Сошиньска говорит, что компания начала демонстрировать технологию нескольким компаниям в Европе и США через офис WIT-Composites в Лас-Вегасе, штат Невада. Однако, к сожалению, пандемия коронавируса задержала переговоры и возможность группы путешествовать и демонстрировать технологию.

Тем временем компания использовала дизайнерские инновации, созданные для этого проекта, в качестве трамплина для других проектов, особенно конструкции петли Pac-Man. Например, WIT-Composites разрабатывает резервуар для хранения водорода на 150 МПа (21,755 фунт / кв. Дюйм) для программы хранения водорода в Национальном центре исследований и разработок (Варшава, Польша) в качестве субподрядчика Института физики высоких давлений в г. Польская академия наук (Варшава). Гибкий композитный материал и конструкция шарнирного соединителя, разработанная для проекта хирургического стола, привела к разработке нового решения для композитных труб из углеродного волокна, намотанных ниткой, которые будут использоваться на заправочных станциях водородом. «Это совершенно новая конструкция, уникальная для рынок. И этот проект родился из нашей работы с медицинским столом », - говорит Вит-Русецкий. Еще одна долгосрочная цель - перенести петлевые технологии из этого проекта на космические аппараты и компоненты спутников.