복합 의료용 테이블의 효율성을 향상시키는 디자인 혁신

• 완전 합성 테이블 상판, 측면 레일 및 수술용 암(선택 사양)은 X선 투명 영역을 확대합니다.
• 레일 및 힌지 연결 시스템 내의 탄성 복합재 섹션은 의료 장비를 테이블에 안전하게 부착하기 위한 공기 펌핑 시스템을 가능하게 합니다.
• 기술은 미래의 복합재-복합체 접합 기술을 위한 발판 역할을 합니다.

탄소 섬유 복합 재료는 종종 수술대 표면을 제작하는 데 사용됩니다. 탄소섬유 복합재료는 금속이나 다른 재료와 달리 X선 투과성이 있어 환자의 방사선 사진을 찍을 때 도움이 된다. 그러나 WIT-Composites(폴란드 루블린)에서 발견한 바와 같이 기존의 시험 테이블 디자인이 항상 의료 종사자의 요구에 가장 효과적인 것은 아닙니다.

WIT-Composites는 의료를 포함한 다양한 시장의 고객을 위해 고도로 엔지니어링되고 오토클레이브 경화된 탄소 섬유 복합 부품을 전문으로 합니다. 2017년, WIT-Composites의 R&D 이사인 Michael Wit-Rusiecki와 그의 팀은 의료 업계 고객으로부터 의료진이 복합 테이블을 사용하여 심장 외과, 혈관 외과, 신경 외과 및 정형 외과 수술을 수행하는 동안 발생하는 문제에 대해 듣기 시작했습니다. 그는 이러한 유형의 수술에는 종종 절차 중에 X선 영상이 필요하다고 설명합니다.

"우리가 배운 것은 X선 투명 합성 표면이 있는 의료 테이블에서도 다양한 테스트 및 의료 서비스를 수행할 때 주요 문제 중 하나는 테이블에 기기가 부착되는 모든 커넥터가 금속으로 만들어졌다"고 말했다. 즉, X선 투명도가 필요한 특정 절차나 검사의 경우 의료진이 X선에 투명하지 않은 테이블 영역을 피하기 위해 절차 중에 환자를 여러 번 이동하거나 위치를 변경해야 할 수 있습니다.

WIT-Composites의 전무 이사인 Weronika Soszyńska는 "이 분야에서 새로운 솔루션이 정말로 필요한지 확인하기 위해 폴란드 의사들과 인터뷰 및 시장 조사를 수행했으며 많은 것을 배웠습니다."라고 덧붙였습니다. 예를 들어, 그녀는 마취과 의사들이 환자에게 연결된 IV, 전극 및 기타 장비 중 얼마나 많은 것이 환자가 이리저리 움직여야 할 때 제거될 수 있는지에 대해 이야기했다고 말했습니다. "생각하지 못한 문제가 많이 있습니다. 우리가 이야기한 의사들은 솔루션이 개발될 수 있다면 매우 기쁠 것이라고 말했습니다."라고 그녀는 말합니다.

운영 프로그램 스마트 성장 2014-2020 이니셔티브에 따라 유럽 지역 개발 기금의 재정 지원으로 WIT-Composites의 R&D 부서는 레일 및 연결 시스템을 포함하여 완전히 합성된 의료용 테이블 디자인에 대해 다음 2년을 작업했습니다. Wit-Rusiecki에 따르면 예상보다 간단한 과정이 아니었습니다.

복잡한 구성 요소는 재료 혁신으로 이어집니다.

그림. 1. 부하 시뮬레이션. 테이블의 표면을 설계할 때 WIT-Composites는 하중(상단 이미지) 및 무게 분포(하단 이미지)에서 재료 변형을 모델링하여 표면이 환자 체중 분포에 맞춰 필요한 강성과 마모 저항을 갖도록 했습니다. 사진 제공, 모든 이미지:WIT-Composites

Wit-Rusiecki는 "우리는 수술대의 표면, 측면 난간, 힌지 요소 등 전체 시스템을 설계하기 시작했으며 모두 복합 재료로 만들어졌습니다."라고 설명합니다. 수술 중에 사용할 수 있는 선택적인 정형외과용 팔도 복합 재료로 개발되었습니다. 이러한 각 구성 요소에는 고유한 설계 문제와 기계적 요구 사항이 있으며 2년 간의 시행착오 과정을 거쳤습니다.

Wit-Rusiecki는 "우리는 다양한 R&D 프로젝트를 수행하여 다양한 재료 구성을 살펴보고 다양한 공급업체의 다양한 섬유를 시도하고 엘라스토머와 탄소 섬유/에폭시 프리프레그를 다양한 방식으로 적층했습니다"라고 말합니다. 그러나 그는 팀이 처음에 복합 라미네이트의 균열, 다른 공급업체의 재료 간의 무게 및 재료 특성 차이, 그리고 Wit-Rusiecki에 따르면 가장 어려운 문제를 포함하여 재료와 관련된 몇 가지 문제에 부딪쳤다고 인정합니다. 탄성 균형의 어려움 테이블의 여러 섹션에서 로드 요구 사항에 대한 속성입니다.

설계는 먼저 SolidWorks(Dassault Systèmes, Waltham, Mass, U.S.), CATIA(Dassault) 및 NX(Siemens, Plano, Texas, U.S.)와 같은 프로그램을 통해 분석되었으며 변형률 및 탄성과 같은 특정 매개변수에 대해 테스트되었습니다. 반복적인 물리적 샘플은 인증된 외부 실험실에서 강도 테스트를 받았고 경도 및 내마모성에 대한 마찰 표면 테스트는 회사에서 내부적으로 설계된 테스트 스탠드에서 사내에서 수행되었습니다.

탄소 섬유/에폭시 프리프레그 및 추가적인 탄성을 위해 고무 엘라스토머 층의 국부적 적용을 포함한 테스트 결과를 기반으로 개별 구성요소의 재료 선택이 이루어졌습니다. Soszyńska에 따르면 엘라스토머 층은 유연하고(가변 영률로) 급격한 하중 변화에 강한 합성물을 생성합니다.

실물 크기의 프로토타입에 있는 각 구성 요소에 대해 적층형 탄소 섬유 프리프레그 및 엘라스토머 재료 시트를 모양에 맞게 절단하고 WIT-Composites에서 설계 및 제작한 금형에 넣고 진공 포장하고 오토클레이브를 통해 경화했습니다.

테이블 표면, 레일 및 경첩 디자인

테이블 표면의 경우 IEC의 EN 60601-2-46 표준에 따라 적절한 X선 투명도, 주요 지점에서 환자 하중을 견디는 강도, 내마모성 및 표면 경도에 대한 ASTM 표준이 주요 고려 사항이었습니다. 중량 분배 전략에 따른 하중 하에서의 최대 처짐은 42.56밀리미터 미만으로 제한되었습니다. 탁상의 하중은 225kg(496파운드)이었습니다. 테이블 상판의 최대 처짐은 환자의 몸통이 있는 테이블의 중앙 부분에서 발생합니다. 이것은 필요한 X선 반투명도를 보장하기 위해 테이블의 내부 구성 요소에 설계된 보이드로 인해 발생했습니다(그림 1).

그림. 2. 전환점. 기계식 암은 비디오 게임 캐릭터 팩맨과 같은 모양으로 특별히 설계된 힌지 커넥터를 통해 테이블 ​​레일에 부착됩니다. 경첩은 프리프레그 층 사이의 엘라스토머 층으로 인해 부착된 구성요소 주위에서 쉽게 미끄러질 수 있으며, 프리프레그 층은 제자리에 고정되도록 팽창하고 수축하여 공기가 중공 캐비티로 펌핑되거나 제거될 때 움직임을 허용합니다. 이 경첩의 개발은 테이블 시스템 설계의 전환점으로 간주되었습니다.

Wit-Rusiecki에 따르면, 기존의 여러 복합 의료 테이블이 이미 시장에서 기준선 역할을 하기 때문에 테이블 자체는 기계적 요구 사항이 충족되는 한 설계하기에 충분히 간단했습니다. 그러나 전체 복합 시스템을 구축하려면 팀이 일반적인 금속 레일을 대체하기 위해 테이블 ​​표면의 양쪽에 맞춤형 합성 레일과 절차 중 의료 장비를 걸기 위한 일부 유형의 연결 시스템.

프로토타입을 제작하기 전에 R&D 팀은 자연에서 발견되는 모양에서 도어 힌지에 이르기까지 모든 것을 기반으로 다양한 연결 시스템에 대한 수십 가지 아이디어를 도출하고 유한 요소(FEM) 시뮬레이션을 실행하여 목록을 가장 유망한 세 가지 선택으로 좁혔습니다. 팀은 하중 용량을 확인하기 위한 테스트를 위해 세 가지 옵션의 금형과 물리적 프로토타입을 제작했습니다.

두 가지 연결 설계가 최종 시스템 프로토타입에 포함되었습니다. 가장 효과적인 디자인은 전체 프로젝트의 "전환점"으로 간주되었습니다. 내부적으로 모양 때문에 "Pac-Man" 디자인이라고 하는 속이 빈 원통형 구성 요소는 테이블 끝에서 돌출된 두 개의 평행한 합성 지지대 사이에 맞습니다. 이 원통형 부품은 테이블 끝에서 움직일 수 있는 정형외과용 팔을 연결하는 힌지를 형성합니다(그림 2).

이 힌지 구성 요소의 가장 큰 문제는 이중 기능 기능입니다. 팔을 회전할 수 있도록 움직일 수 있어야 할 뿐만 아니라 원하는 위치로 이동한 후 팔을 제자리에 고정해야 합니다. 이를 달성하기 위해 WIT-Composites는 이미 많은 수술대에 설치된 종류의 압축 공기 펌프를 사용하는 전략을 개발했습니다. 구성 요소의 외부 스킨의 대부분은 단단한 프리프레그로 만들어집니다. 실린더 내부의 팩맨과 같은 움푹 들어간 부분은 엘라스토머 층으로 탄성이 있는 얇은 프리프레그 층으로 만들어집니다. 압축 공기 펌프에 부착된 튜브는 부품의 내부 캐비티 내에 공기를 밀어넣고 피부의 탄성 부분을 확장하여 맞물리는 암에 대해 밀어서 움직임을 방지합니다. 캐비티에서 공기가 배출되면 유연한 벽이 수축하여 힌지가 움직일 수 있습니다. Soszyńska는 "최종 형태는 가정된 강도 매개변수를 충족하고 모든 수술실에서 사용할 수 있는 압축 공기를 사용하여 1초 이내에 수술용 부착물을 탁상용 측면 레일에 장착할 수 있습니다"라고 말합니다.

그림. 4. 복합 연결. 팩맨에서 영감을 받은 힌지(1)의 이 횡단면은 의료 기기 및 복합 정형외과용 팔(2)과 함께 어떻게 맞는지 보여줍니다.

이와 동일한 유연한 합성물 및 공기 펌프 설계를 사용하여 WIT-Composites는 또한 테이블 측면을 따라 의료 기기의 안정성을 가능하게 하는 잠금식 레일 클램프 메커니즘을 개발했습니다(그림 3 및 그림).

Soszyńska는 "이 솔루션의 다용성은 다리, 골반 또는 척추 수술 중 정형외과 부착에 자주 사용되는 관형 요소 및 힌지 핀용 커넥터로 사용할 수 있다는 점입니다."라고 말합니다.

Wit-Rusiecki는 "우리가 달성한 것은 이제 수술 중 환자를 이동할 필요가 없다는 것입니다."라고 덧붙입니다. "이 프로젝트를 위해 우리는 부품 및 재료 설계, 제조 기술에서 우리의 모든 능력을 사용해야 했습니다."

상업화, 새로운 시장

성공적인 설계를 통해 WIT-Composites는 이제 의료 장비 제조업체와 협력하여 수술대 제품 라인에 복합 부품을 공급하는 것을 목표로 하고 있습니다. Soszyńska는 회사가 WIT-Composites의 네바다주 라스베이거스 사무실을 통해 유럽과 미국의 여러 회사에 이 기술을 시연하기 시작했다고 말합니다. 그러나 불행하게도 코로나바이러스 전염병으로 인해 협상이 지연되고 팀이 여행하고 기술을 시연할 수 있는 능력이 지연되었습니다.

그동안 회사는 이 프로젝트를 위해 만든 디자인 혁신을 다른 프로젝트, 특히 "Pac-Man" 힌지 디자인의 발판으로 사용했습니다. 예를 들어 WIT-Composites는 국립 연구 개발 센터(폴란드 바르샤바)의 수소 저장 프로그램을 위한 150MPa(21,755psi) 수소 저장 용기를 고압 물리학 연구소의 하청업체로 개발하고 있습니다. 폴란드 과학 아카데미(바르샤바). 수술대 프로젝트를 위해 개발된 유연한 복합 재료와 힌지 커넥터 설계는 수소 충전소에 사용할 필라멘트 권취 탄소 섬유 복합 파이프에 대한 새로운 솔루션의 개발로 이어졌습니다. 시장. 그리고 이 프로젝트는 우리의 의료 테이블 작업에서 탄생했습니다.”라고 Wit-Rusiecki는 말합니다. 또 다른 장기 목표는 이 프로젝트의 힌지 기술을 우주선 및 위성 구성 요소로 이전하는 것입니다.