Революция в хирургических рабочих станциях: новый дизайн композитного стола повышает эффективность и рентгено-прозрачность

• Полностью композитная столешница, боковые рельсы и опциональный хирургический манипулятор расширяют область рентгено-прозрачности.
• Эластичные композитные секции внутри рельсовой и шарнирной систем соединения позволяют пневматическую систему для надежного крепления медицинского оборудования к столу.
• Технология служит трамплином для будущих технологий композит-на-композит соединений.

Углеродно-волокнистые композиты часто используются для изготовления поверхностей операционных столов. В отличие от металла или других материалов, углеродно-волокнистые композиты рентгено-прозрачны, свойство, полезное при получении рентгеновских изображений пациентов. Однако, как обнаружила WIT-Composites (Люблин, Польша), традиционный дизайн обследования стола не всегда наиболее эффективен для потребностей медицинских работников.

WIT-Composites специализируется на высокоинженерных, автоклавно-отвержденных компонентах из углеродно-волокнистых композитов для клиентов в различных рынках, включая здравоохранение. В 2017 году Михаэль Вит-Русьецкий, директор НИОКР WIT-Composites, и его команда начали слышать от клиентов медицинской отрасли о проблемах, с которыми сталкиваются медицинские сотрудники при выполнении кардиохирургии, сосудистой хирургии, нейрохирургии и ортопедических операций с использованием композитных столов. Эти типы операций, объясняет он, часто требуют рентгеновской визуализации во время процедуры.

«Что мы узнали, так это то, что одна из главных проблем при выполнении различных тестов и медицинских услуг, даже на медицинских столах с композитными рентгено-прозрачными поверхностями, заключается в том, что все соединители, где инструменты крепятся к столу, сделаны из металла», — говорит он. Это означает, что для определенных процедур или тестов, требующих рентгено-прозрачности, медицинскому персоналу может потребоваться перемещать или перепозиционировать пациентов несколько раз во время процедуры, чтобы избежать областей стола, непрозрачных для рентгена.

«Мы провели интервью и маркетинговое исследование с врачами в Польше, чтобы убедиться, что действительно есть истинная потребность в новом решении в этой области, и мы узнали много», — добавляет Вероника Сошинская, управляющий директор WIT-Composites. Например, она говорит, что анестезиологи рассказали им о том, как многие капельницы, электроды и другое оборудование, подключенное к пациентам, могут смещаться, когда пациентов приходится двигать. «Есть много проблем, о которых вы не думаете, и врачи, с которыми мы говорили, сказали, что они были бы очень счастливы, если бы могло быть разработано решение», — говорит она.

С финансовой поддержкой Европейского фонда регионального развития в рамках Операционной программы Умный рост 2014-2020, НИОКР WIT-Composites потратило следующие два года на работу над дизайном медицинского стола, который полностью композитный, включая рельсы и системы соединения. По словам Вит-Русьеckiego, это не был такой простой процесс, как ожидалось.

Сложные компоненты ведут к материаловым инновациям

Рис. 1. Моделирование нагрузок. При проектировании поверхности стола WIT-Composites смоделировала деформацию материала под нагрузкой (верхнее изображение) и распределение веса (нижнее изображение), чтобы обеспечить необходимую жесткость и устойчивость к износу в соответствии с распределением веса пациента. Фото: WIT-Composites

«Мы выступили с задачей спроектировать всю систему: поверхность операционного стола, боковые рельсы и шарнирный элемент, все из композитов», — объясняет Вит-Русьецкий. Опциональный ортопедический манипулятор для использования во время операций, также из композитов, был разработан. Каждый из этих компонентов пришел со своими дизайнерскими вызовами и механическими требованиями, и привел к двухгодичному процессу проб и ошибок.

«Мы провели различные НИОКР проекты, рассматривая разные материаловые композиции, пробуя разные волокна от разных поставщиков и укладывая эластомеры и препрег углеродное волокно/эпоксидная смола по-разному», — говорит Вит-Русьецкий. Однако он признает, что команда изначально столкнулась с несколькими проблемами с материалами, включая трещины в композитных ламинатах, вес и различия в материальных свойствах между материалами от разных поставщиков и — наиболее сложное из всех, по словам Вит-Русьеckiego — трудности балансировки эластичных свойств против нагрузки требований в разных секциях стола.

Дизайны сначала анализировались через программы такие как SolidWorks (Dassault Systèmes, Вальтам, Массачусетс, США), CATIA (Dassault) и NX (Siemens, Плейно, Техас, США) и тестировались на конкретных параметрах таких как деформация и эластичность. Итеративные физические образцы тестировались на прочность на сертифицированной внешней лаборатории, и трибологические тесты поверхности на твердость и износоустойчивость выполнялись инхаус на внутренне спроектированном тестовом стенде компании.

Материальные выборы для индивидуальных компонентов были сделаны на основе результатов тестов, включая препрег углеродное волокно/эпоксидная смола и, для дополнительной эластичности, локальное применение слоев каучукового эластомера. По словам Сошинской, эластомерный слой создает композит, который и гибкий (с переменным модулем Юнга), и устойчивый к внезапным изменениям нагрузки.

Для каждого из компонентов полноразмерного прототипа листы слоистого препрега углеродного волокна и эластомерных материалов были вырезаны по форме, помещены в формы, спроектированные и построенные WIT-Composites, вакуум-закачаны и отверждены в автоклаве.

 

Проектирование поверхности стола, рельсов и шарниров

Для поверхности стола основные соображения включали адекватную рентгено-прозрачность, прочность для выдержки нагрузок пациента в ключевых точках согласно стандартам IEC EN 60601-2-46 и стандартам ASTM для износоустойчивости и твердости поверхности. Максимальная деформация под нагрузкой согласно стратегии распределения веса была ограничена менее чем 42,56 миллиметров; грузоподъемность столешницы составляла 225 килограммов (496 фунтов). Максимальная деформация на столешнице происходит в центральной части стола, где находится туловище пациента. Это было вызвано спроектированной пустотой во внутренних компонентах стола, чтобы обеспечить требуемую рентгено-прозрачность (Рис. 1).

Рис. 2. Точка перелома. Механический манипулятор крепится к рельсам стола через специально спроектированные шарнирные соединители, форме напоминающие персонажа видеоигры Pac-Man. Шарниры способны легко скользить вокруг прикрепленных компонентов благодаря слоям эластомеров между слоями препрега, которые расширяются для блокировки на месте и сжимаются для разрешения движения, когда воздух накачивается в или удаляется из полого полости. Разработка этого шарнира считалась точкой перелома в дизайне системы стола.

По словам Вит-Русьеckiego, сам стол был достаточно простым для проектирования, пока механические требования выполнялись, так как несколько существующих композитных медицинских столов уже на рынке служат базовой линией. Чтобы построить полностью композитную систему, однако, требовалось от команды спроектировать и инженерить набор кастомных композитных рельсов для любой стороны поверхности стола, чтобы заменить типичные металлические рельсы, и какой-то тип системы соединения для медицинского оборудования, чтобы висеть во время процедур.

Перед построением прототипа, НИОКР команда нарисовала несколько десятков идей для разных систем соединений, основанных на всем от форм, найденных в природе, до дверных петель, и запустили конечно-элементные (FEM) симуляции, чтобы сузить список до трех самых перспективных вариантов. Команда построила формы и физические прототипы трех вариантов для тестирования верификации грузоподъемности.

Два дизайна соединений попали на финальный системный прототип. Наиболее эффективный дизайн считался «точкой перелома» всего проекта. Внутренне называемый дизайном «Pac-Man» из-за своей формы, полый цилиндрический компонент вписывается между двумя параллельными композитными стойками, выходящими из конца стола. Этот цилиндрический компонент формирует шарнир для соединения подвижного ортопедического манипулятора с конца стола (Рис. 2).

Главная проблема этого шарнирного компонента — его двойная функциональность: он должен не только быть подвижным для вращения манипулятора, но и блокировать манипулятор на месте после перемещения в желаемую позицию. Для достижения этого WIT-Composites разработала стратегию, использующую компрессионный воздушный насос типа, уже установленного на многих операционных столах. Большинство внешней кожи компонента сделано из жесткого препрега; Pac-Man-подобная вмятина внутри цилиндра сделана с тонким препрег-слоем, сделанным эластичным слоем эластомера. Трубка, прикрепленная к компрессионному воздушному насосу, загоняет воздух внутри внутренней полости компонента, который расширяет эластичный участок кожи, давя его против зацепающегося манипулятора и предотвращая движение. Когда воздух выпускается из полости, гибкая стенка сжимается, позволяя движению шарнира. «Финальная форма соответствует предполагаемым параметрам прочности и за секунду, используя компрессионный воздух, доступный в каждой операционной, операционное крепление может быть смонтировано на боковой рельсе столешницы», — говорит Сошинская.

Рис. 4. Композитные соединения. Это поперечное сечение Pac-Man-вдохновленного шарнира (1) показывает, как он соединяется с медицинскими инструментами и композитными ортопедическими манипуляторами (2).

Используя этот же гибкий композит и дизайн воздушного насоса, WIT-Composites также разработала блокирующий рельсовый зажим механизм для обеспечения стабильности медицинских инструментов по бокам стола (Рис. 3 и чертеж).

«Универсальность этого решения характеризуется тем, что оно может использоваться как соединитель для трубчатых элементов и для шарнирных пальцев, часто используемых в ортопедических креплениях во время операций на ноге, тазу или позвоночнике», — говорит Сошинская.

«Что мы достигли — теперь нет необходимости двигать пациентов во время операции», — добавляет Вит-Русьецкий. «Для этого проекта нам пришлось использовать все наши возможности, в части и материаловом дизайне, и также в производственной технологии».

 

Коммерциализация, новые рынки

С успешным дизайном на месте, WIT-Composites теперь нацеливается на партнерство с производителем медицинского оборудования для поставки композитных компонентов для линейки продуктов операционного стола. Сошинская говорит, что компания начала демонстрировать технологию нескольким компаниям в Европе и США через офис WIT-Composites в Лас-Вегас, Невада. К сожалению, однако, пандемия коронавируса задержала переговоры и способность команды путешествовать и демонстрировать технологию.

Вместо этого компания использовала дизайнерские инновации, созданные для этого проекта, как трамплин для других проектов, особенно дизайн шарнира «Pac-Man». Например, WIT-Composites разрабатывает 150-МПа (21 755 psi) водородный накопительный сосуд для программы хранения водорода в Национальном центре исследований и разработки (Варшава, Польша), как субподрядчик Института высокого давления физики Польской академии наук (Варшава). Гибкий композитный материал и дизайн шарнирного соединителя, разработанные для проекта хирургического стола, привели к разработке нового решения для нитевитых углеродно-волокнистых композитных труб для использования на заправочных станциях водорода. «Это полностью новая конструкция, уникальная для рынка. И этот проект родился из нашей работы над медицинским столом», — говорит Вит-Русьецкий. Еще одна долгосрочная цель — перенести технологию шарнира из этого проекта на космические аппараты и спутниковые компоненты.