수술 워크스테이션 혁신: 신규 복합재 테이블 설계로 효율성과 X선 투과성 향상

• 올-복합재 테이블탑, 사이드 레일, 옵션 수술용 암으로 X선 투과 영역 확대
• 레일·힌지 연결 시스템 내 탄성 복합재 섹션으로 공기 펌핑 시스템 구현, 의료 기기 테이블 고정 안정화
• 향후 복합재-복합재 조인트 기술 발판 마련

카본 파이버 복합재는 수술대 표면 제작에 자주 사용됩니다. 금속 등 타 소재와 달리 카본 파이버 복합재는 X선 투과성이 있어 환자 방사선 촬영 시 도움됩니다. 하지만 WIT-컴포지트(WIT-Composites, 폴란드 루블린) 발견에 따르면 전통적 진료대 설계가 의료진 니즈에 항상 최적인 건 아닙니다.

문제 인식

WIT-컴포지트는 헬스케어 포함 다양한 시장에 고엔지니어링 오토클레이브 경화 카본 파이버 복합 부품 전문. 2017년 R&D 디렉터 미하엘 비트-루시에츠키(Michael Wit-Rusiecki) 팀이 심장외과, 혈관외과, 신경외과, 정형외과 시술 시 복합재 테이블 사용 의료진 애로사항 청취 시작. 이들 수술은 시술 중 X선 영상 촬영 자주 필요.

"의료 기기 테이블 부착 커넥터가 모두 금속이라는 게 주요 과제다. X선 투과성 필요한 시술·검사 시 의료진이 환자 여러 번 이동·재배치해야 비투과 영역 피할 수 있다"고 설명.

마케팅 디렉터 베로니카 소진스카(Weronika Soszyńska): "폴란드 의사들 인터뷰·시장 조사로 진짜 니즈 확인, 많은 것 배웠다. 마취과 의사들: 환자 이동 시 IV, 전극 등 장비 이탈 빈번. 생각지 못한 문제들 많고, 의사들 '해결책 개발되면 매우 기쁠 것'이라고."

복잡한 부품으로 소재 혁신 견인

유럽지역개발기금 지원(운영 프로그램 스마트 성장 2014-2020) 아래 WIT-컴포지트 R&D 부서 2년간 레일·연결 시스템 포함 완전 복합재 의료 테이블 설계 작업. 비트-루시에츠키: "예상보다 단순하지 않았다."

테이블 표면, 레일, 힌지 설계

테이블 표면: 적절한 X선 투과성, IEC EN 60601-2-46 표준 따른 환자 하중 주요 지점 강도, ASTM 마모 저항·표면 경도 표준 충족. 체중 분포 전략 따른 최대 처짐 42.56mm 미만, 테이블탑 하중 용량 225kg(496파운드). 최대 처짐은 환자 몸통 위치인 테이블 중앙부 발생, 내부 구성품 설계된 빈 공간으로 필요 X선 투광성 확보(Fig. 1).

완전 복합재 시스템 위해 양쪽 테이블 표면용 맞춤형 복합 레일(일반 금속 레일 대체), 시술 중 의료 기기 걸기 위한 연결 시스템 설계 필요. 프로토타입 전 수십 가지 연결 시스템 아이디어(자연 형태부터 도어 힌지까지) 도출, 유한요소(FEM) 시뮬레이션으로 3개 유망 후보 압축. 금형 제작·물리 프로토타입 테스트로 하중 용량 검증.

최종 시스템 프로토타입에 2개 연결 설계 채택. 최고 효과 설계가 프로젝트 전체 '전환점(Turning point)'. 내부 명칭 '팩맨(Pac-Man)' 설계(비디오 게임 캐릭터 닮음). 중공 원통형 컴포넌트가 테이블 끝에서 돌출한 2개 평행 복합 스트럿 사이 끼워져 힌지 형성, 테이블 끝에서 가동형 정형외과 암 연결(Fig. 2).

이 힌지 최대 과제: 이중 기능(암 회전 위한 가동성 + 원하는 위치 이동 후 고정). 압축 공기 펌프(수술실 다수 구비) 활용 전략 개발. 컴포넌트 외부 피부 대부분 경질 프리프레그, 팩맨형 들여쓰기 부분은 엘라스토머 레이어로 탄성 부여한 얇은 프리프레그 레이어. 압축 공기 펌프 연결 튜브로 부품 내부 공동에 공기 강제 유입 → 탄성 섹션 팽창해 인터로킹 암 밀착 고정. 공기 배출 → 유연 벽 수축 → 힌지 이동 가능. "예상 강도 파라미터 충족, 수술실 구비 압축 공기로 1초 내 조작 부착 테이블 사이드 레일 마운트 가능"이라고 소진스카.

동일 유연 복합재+공기 펌프 설계로 의료 기기 측면 안정성 위한 잠금 가능 레일 클램프 메커니즘도 개발(Fig. 3 및 도면).

소진스카: "이 솔루션 다재다능함: 관형 요소와 정형외과 부착용 힌지 핀(다리, 골반, 척추 수술 시) 커넥터 모두 사용 가능."

비트-루시에츠키: "이제 수술 중 환자 이동 불필요. 이 프로젝트로 부품·소재 설계, 제조 기술 모든 역량 동원했다."

상용화, 신시장

성공적 설계 완료로 WIT-컴포지트는 의료 기기 제조사와 파트너십 맺고 수술대 제품 라인용 복합 부품 공급 목표. 소진스카: "유럽·미국 여러 기업에 기술 시연 시작(라스베이거스 사무소 통한). 안타깝게도 코로나 팬데믹으로 협상 지연, 출장·시연 어려움."

한편 이 프로젝트 설계 혁신 타 프로젝트 발판 활용 중, 특히 '팩맨' 힌지 설계. 예: 바르샤바 국립연구개발센터 수소 저장 프로그램용 150MPa(21,755psi) 수소 저장 용기 개발(폴란드 과학원 고압물리학연구소 하청). 수술 테이블 프로젝트 유연 복합재·힌지 커넥터 설계가 수소 충전소용 필라멘트 와인딩 카본 파이버 복합 파이프 신규 솔루션으로 이어짐. "완전히 새로운 구조, 시장 독보적. 의료 테이블 작업서 탄생"이라고 비트-루시에츠키. 또 다른 장기 목표: 힌지 기술 우주선·위성 부품 이전.