Chirurgische werkstaties gerevolutioneerd: Nieuw composiet tafelontwerp verhoogt efficiëntie en Röntgen-transparantie

• Volledig-composiet tafelblad, zijschienen en optionele chirurgische arm vergroten het gebied van Röntgen-transparantie.
• Elastische composietsecties binnen rail en scharnierverbindingssystemen laten luchtepompsysteem toe voor veilige bevestiging van medische apparatuur aan de tafel.
• Technologie fungeert als springplank voor toekomstige composiet-op-composiet verbindingstechnologieën.

Koolstofvezelcomposieten worden vaak gebruikt om de oppervlakken van chirurgische tafels te fabriceren. In tegenstelling tot metaal of andere materialen, zijn koolstofvezelcomposieten Röntgen-doorlatend, een eigenschap die nuttig is bij het maken van radiografische beelden van patiënten. Echter, zoals WIT-Composites (Lublin, Polen) ontdekte, is het traditionele onderzochttafelontwerp niet altijd het meest effectief voor de behoeften van medisch personeel.

WIT-Composites is gespecialiseerd in hoog-geëngineerde, autoklaaf-geharde koolstofvezelcomposietcomponenten voor klanten in diverse markten, inclusief gezondheidszorg. In 2017 begonnen Michael Wit-Rusiecki, R&D-directeur bij WIT-Composites, en zijn team te horen van klanten in de medische industrie over problemen die medisch personeel tegenkomt tijdens het uitvoeren van cardiochirurgie, vaatchirurgie, neurochirurgie en orthopedische operaties met behulp van composiet tafels. Deze typen operaties, legt hij uit, vereisen vaak Röntgen-beeldvorming tijdens de procedure.

"Wat we leerden is dat een van de grote uitdagingen wanneer het aankomt op het uitvoeren van diverse testen en medische diensten, zelfs op medische tafels met composiet, Röntgen-doorlatende oppervlakken, is dat alle connectoren waar instrumenten aan de tafel bevestigd zijn, van metaal gemaakt zijn," zegt hij. Dit betekent dat voor bepaalde procedures of testen die Röntgen-transparantie vereisen, medisch personeel misschien patiënten meerdere keren tijdens de procedure moet verplaatsen of herpositioneren om gebieden van de tafel te vermijden die niet transparant zijn voor Röntgenstralen.

"We voerden interviews en marktonderzoek uit met artsen in Polen om te verzekeren dat er echt een echte behoefte is aan een nieuwe oplossing in dit gebied, en we leerden veel," voegt Weronika Soszyńska, managing director van WIT-Composites, toe. Bijvoorbeeld, zei ze dat anesthesiologen hen vertelden over hoeveel van de IV's, elektrode en andere apparatuur die aan patiënten verbonden zijn, kunnen losslaan wanneer patiënten verplaatst moeten worden. "Er zijn veel issues waar je niet over nadenkt, en de artsen met wie we spraken zeiden dat ze erg blij zouden zijn als een oplossing ontwikkeld kon worden," zegt ze.

Met financiële steun van de European Regional Development Fund onder de Operational Program Smart Growth 2014-2020 initiatief, besteedde WIT-Composites' R&D-afdeling de volgende twee jaar aan een medische tafelontwerp dat volledig composiet is, inclusief de schienen en verbindingssystemen. Volgens Wit-Rusiecki was het niet zo eenvoudig een proces als verwacht.

Complexe componenten leiden tot materiaalinnovaties

Fig. 1. Belasting simuleren. Bij het ontwerpen van het tafeloppervlak, modeleerde WIT-Composites materiaaldeflectie onder belasting (bovenste afbeelding) en gewichtsverdeling (onderste afbeelding) om te waarborgen dat het oppervlak de vereiste stijfheid en slijtvaste had in lijn met de patiëntengewichtsverdeling. Foto credit, alle afbeeldingen: WIT-Composites

"We zetten ons ten doel om een heel systeem te ontwerpen: het oppervlak van de operatietafel, de zijbeugeling en een scharnier element, allemaal gemaakt van composieten," legt Wit-Rusiecki uit. Een optionele orthopedische arm voor gebruik tijdens operaties, ook gemaakt van composieten, werd ook ontwikkeld. Elk van deze componenten kwam met zijn eigen ontwerpuitdagingen en mechanische eisen, en resulteerde in een tweejaarlijkse trial-and-error proces.

"We voerden diverse R&D-projecten uit, keken naar verschillende materiaalsamestellingen, probeerden verschillende vezels van verschillende leveranciers, en laagden elastomeren en koolstofvezel/epoxy prepreg op verschillende manieren," zegt Wit-Rusiecki. Echter, hij erkent dat het team aanvankelijk verschillende problemen met de materialen tegenkwam, inclusief scheuren in de composietlaminaten, gewichts- en materiaaleigenschapsverschillen tussen materialen van verschillende leveranciers, en – meest uitdagend van allemaal, volgens Wit-Rusiecki – moeilijkheid het evenwicht te vinden tussen elastische eigenschappen en belastingseisen in verschillende secties van de tafel.

Ontwerpen werden eerst geanalyseerd via programma's zoals SolidWorks (Dassault Systèmes, Waltham, Massachusetts, VS), CATIA (Dassault) en NX (Siemens, Plano, Texas, VS) en getest voor specifieke parameters zoals rek en elasticiteit. Iteratieve fysieke monsters werden op sterkte getest bij een gecertificeerd extern laboratorium, en tribologische oppervlaktetests voor hardheid en slijtvastheid werden in-house uitgevoerd op het intern ontworpen teststand van het bedrijf.

Materiaalkozen voor individuele componenten werden gemaakt op basis van testresultaten, inclusief koolstofvezel/epoxy prepreg en, voor extra elasticiteit, lokale toepassing van rubberelastomeerlagen. Volgens Soszyńska creëert de elastomeerlaag een composiet dat zowel flexibel is (met een variabele Young's modulus) als weerstand biedt tegen plotselinge belastingveranderingen.

Voor elk van de componenten op de volschaalprototype, werden vellen van gelaagde koolstofvezelprepreg en elastomeermaterialen op maat gesneden, in vormen geplaatst die ontworpen en gebouwd werden door WIT-Composites, vacuümgezakken en gehard via autoklaaf.

Ontwerpen van tafeloppervlak, schienen en scharnieren

Voor het oppervlak van de tafel, omvatten de belangrijkste overwegingen adequate Röntgen-transparantie, de sterkte om patiëntenbelasting op sleutelpunten te weerstaan volgens de IEC's EN 60601-2-46 standaarden, en ASTM standaarden voor slijtvastheid en oppervlaktehardheid. Maximale deflectie onder de belasting volgens de gewichtsverdelingsstrategie was beperkt tot minder dan 42,56 millimeter; belastingscapaciteit van het tafelblad was 225 kilogram (496 pond). Maximale deflectie op het tafelblad treedt op in het centrale deel van de tafel, waar de torso van een patiënt zou zijn. Dit werd veroorzaakt door een ontworpen gat in de interne componenten van de tafel, om de vereiste Röntgen-doorlatendheid te waarborgen (Fig. 1).

Fig. 2. Een keerpunt. Een mechanische arm bevestigt aan de tafelschienen via speciaal ontworpen gescharnide connectoren, gevormd als het videospelpersonage Pac-Man. De scharnieren kunnen gemakkelijk glijden rond bevestigde componenten door lagen van elastomeren tussen de prepreg-lagen, wat uitrekt om op slot te zetten en samentrekt om beweging toe te staan naarmate lucht in een holle holte wordt opgepompt of verwijderd. De ontwikkeling van dit scharnier werd beschouwd als het keerpunt in het ontwerp van het tafelsysteem.

Volgens Wit-Rusiecki was de tafel zelf eenvoudig genoeg om te ontwerpen zolang de mechanische eisen gehaald werden, aangezien er al verschillende bestaande composiet medische tafels op de markt zijn die als basislijn dienen. Om echter een volledig-composiet systeem te bouwen, moest het team een set gemaatwerk composiet schienen voor elke kant van het tafeloppervlak ontwerpen en engineeren, om typische metalen schienen te vervangen, en enig type verbindingssysteem voor medische apparatuur om tijdens procedures aan te hangen.

Voordat een prototype gebouwd werd, schetste het R&D-team diverse tientallen ideeën voor verschillende verbindingssystemen, gebaseerd op alles van in de natuur gevonden vormen tot deurscharnieren, en voerde finite elementen (FEM) simulaties uit om de lijst in te perken tot de drie meest belovende keuzes. Het team bouwde vormen en fysieke prototypes van de drie opties voor testen om de belastingscapaciteit te verifiëren.

Twee verbindingsontwerpen maakten het op het finale systeemprototype. Het meest effectieve ontwerp werd beschouwd als het "keerpunt" van het gehele project. Intern aangeduid als het "Pac-Man" ontwerp vanwege zijn vorm, past een holle, cilindrische component tussen twee parallelle composiet streben die uitsteken vanaf het einde van de tafel. Deze cilindrische component vormt een scharnier om een bewegelijke orthopedische arm aan het einde van de tafel te verbinden (Fig. 2).

De grootste uitdaging van dit scharniercomponent is zijn dubbele-functie capaciteit: Het hoeft niet alleen bewegelijk te zijn om rotatie van de arm mogelijk te maken, maar het moet de arm ook op slot zetten nadat deze naar de gewenste positie verplaatst is. Om dit te bereiken, ontwikkelde WIT-Composites een strategie die een gecomprimeerde luchtpomp van het type gebruikt dat al op veel operatietafels geïnstalleerd is. Het merendeel van de buitenhuid van het component is gemaakt van rigide prepreg; de Pac-Man-achtige inkeping binnen de cylinder is gemaakt met een dunne prepreglag gemaakt elastisch met een laag elastomeer. Een buis bevestigd aan een gecomprimeerde luchtpomp perst lucht binnen de interne holte van het onderdeel, wat de elastische sectie van de huid doet uitzetten, wat duwt tegen de interlockende arm en beweging voorkomt. Wanneer de lucht uit de holte vrijgegeven wordt, trekt de flexibele wand samen, wat beweging van het scharnier mogelijk maakt. "De eindvorm voldoet aan de aangenomen sterkteparameters en binnen een seconde, met gecomprimeerde lucht, die in elke operatiekamer beschikbaar is, kan de operatiebevestiging gemonteerd worden aan de zijschiene van het tafelblad," zegt Soszyńska.

Fig. 4. Composietverbindingen. Deze doorsnede van het Pac-Man-geïnspireerde scharnier (1) toont hoe het past met medische instrumenten en composiet orthopedische armen (2).

Met dezelfde flexibele composiet- en luchtpompontwerp, ontwikkelde WIT-Composites ook een vergrendelbaar schienebeugmechanisme om stabiliteit van medische instrumenten langs de zijkanten van de tafel mogelijk te maken (Fig. 3 en tekening).

"De veelzijdigheid van deze oplossing wordt gekenmerkt door het feit dat het gebruikt kan worden als connector voor buisvormige elementen en voor scharnierpennen die vaak gebruikt worden in orthopedische bevestigingen tijdens been, bekken of wervelkolomchirurgie," zegt Soszyńska.

"Wat we hebben bereikt is dat er nu geen behoefte meer is om de patiënten tijdens de operatie te verplaatsen," voegt Wit-Rusiecki toe. "Voor dit project moesten we al onze mogelijkheden benutten, in onderdeel- en materiaalontwerp, en ook productietechnologie."

Commercialisatie, nieuwe markten

Met een succesvol ontwerp op zijn plaats, streeft WIT-Composites er nu naar om te partneren met een medische apparatenfabrikant om de composietcomponenten te leveren voor een chirurgische tafel productlijn. Soszyńska zegt dat het bedrijf de technologie aan verschillende bedrijven in Europa en de Verenigde Staten heeft gedemonstreerd via WIT-Composites' Las Vegas, Nevada, kantoor. Helaas heeft de coronaviruspandemie onderhandelingen vertraagd en de capaciteit van het team om te reizen en de technologie te demonstreren.

In de tussentijd heeft het bedrijf de ontwerpinnovaties die het voor dit project creëerde gebruikt als springplank voor andere projecten, met name het "Pac-Man" scharnierontwerp. Bijvoorbeeld, WIT-Composites ontwikkelt een 150-MPa (21.755 psi) waterstofopslagvat voor het Waterstofopslagprogramma bij het National Centre for Research and Development (Warschau, Polen), als subcontractor van het Institute of High-Pressure Physics bij de Polish Academy of Sciences (Warschau). Het flexibele composietmateriaal en scharnierconnectorontwerp ontwikkeld voor het chirurgische tafelproject leidde tot de ontwikkeling van een nieuwe oplossing voor filament-gewonden koolstofvezelcomposietpijpen die gebruikt worden op waterstofbetankingsstations. "Dit is een volledig nieuwe constructie, iets unieks op de markt. En dit project is geboren uit ons medische tafelwerk," zegt Wit-Rusiecki. Een ander langetermijndoel is om de scharniertechnologie van dit project over te dragen aan ruimtevaartuigen en satellietcomponenten.