碳纤维/环氧预浸医用台系统图纸。

插图:Susan Kraus

  • 全复合台面,侧导轨,可选配手术臂,扩大x光透视面积。
  • 轨道和铰链连接系统内的弹性复合部分使空气泵送系统能够将医疗设备牢固地连接到桌子上。
  • 技术是未来复合材料对复合材料连接技术的跳板。

碳纤维复合材料通常用于制造外科表格的表面。与金属或其他材料不同,碳纤维复合材料是X射线透明的,是在服用患者的放射线图像时有用的特性。但是,如图所以Wit复合材料(卢布林,波兰)发现,传统的检查台设计并不总是最有效的满足医务工作者的需求。

Wit复合材料专注于高压灭菌的高压灭菌的碳纤维复合组件,用于各种市场,包括医疗保健。2017年,迈克尔WIT-Rusiecki,R&D主任在Wit-Composites,他的团队开始听取医疗行业客户的回复,了解医务人员在使用复合桌上表演表演,血管外科,神经外科和矫形外科手术时的问题。他解释说,这些类型的操作通常需要在过程中进行X射线成像。

“我们学到的是,即使在具有复合材料X射线透明表面的医疗表上表现出各种测试和医疗服务的主要挑战之一也是X射线透明表面的所有连接器,其中包括仪器附着在表中的所有连接器由金属制成,“他说。这意味着对于需要X射线透明度的某些程序或测试,医务人员可能需要在程序期间几次移动或重新定位患者,以避免对X射线不透明的表格的区域。

wita - composites总经理Weronika补充说:“我们对波兰的医生进行了采访和市场调查,以确保这一领域确实需要新的解决方案,我们学到了很多。”她说,例如,麻醉师告诉他们,当病人需要移动时,有多少静脉注射液、电极和其他连接到病人身上的设备可能会移位。她说:“有很多问题你不会去想,与我们交谈的医生说,如果能找到解决方案,他们将非常高兴。”

根据欧洲区域发展基金的财政支持,根据业务计划智能增长2014-2020倡议,Wit-Composites的研发部门在接下来的两年里,在完全复合的医疗表设计上工作,包括轨道和连接系统。根据Wit-Rusiecki,它并不像预期的一个过程。

复杂的组件导致材料创新

复合医疗表设计负荷仿真下的偏转

图1所示。模拟负载。当设计表格的表面时,在负载(顶部图像)和重量分布(底部图像)下的智能复合材料建模的材料偏转,以确保表面具有所需的刚度和耐磨性与患者重量分布对准。照片信用,所有图像:Wit复合材料

复合医用表设计的仿真

“我们旨在设计整个系统:操作台面,侧栏杆和铰链元件,均由复合材料制成,”Wit-Rusiecki解释说。还开发了在操作期间使用的可选的矫形臂,也是由复合材料制成的。这些组件中的每一个都带来了自己的设计挑战和机械要求,导致了两年的试验和错误过程。

“我们开展了各种研发项目,看着不同的材料组合物,从不同供应商的不同纤维,并以不同方式分层弹性体和碳纤维/环氧树脂预浸料,”Wit-Rusiecki说。然而,他承认,该团队最初遇到了材料的几个问题,包括复合材料层压板的裂缝,来自不同供应商的材料之间的材料之间的重量和物质性质,以及最具挑战性的,根据Wit-Rusiecki - 难以平衡弹性桌子的不同部分中的负载要求的性质。

首先通过诸如SolidWorks(Dassaultsystèmes.,沃尔瑟姆,质量。,美国,CATIA(Dassault)和NX(西门子,平面图,德克萨斯州,美国)并测试特定参数,如应变和弹性。在经过认证的外部实验室测试的迭代物理样品是在经过认证的外部实验室测试的强度,并且在公司的内部设计的测试台内进行了硬度和耐磨性的摩擦表面测试。

单个部件的材料选择是根据测试结果做出的,包括碳纤维/环氧预浸料,为了增加弹性,橡胶弹性体层的局部应用。根据Soszyńska,弹性体层创造了一种复合材料,既具有弹性(具有可变的杨氏模量),又能抵抗突然的载荷变化。

对于全尺寸原型上的每个组件,将层状碳纤维预浸料和弹性体材料的片材切割成塑造成型,置于由Wit复合材料设计和构建的模具中,真空袋,通过高压釜固化。

设计桌面,轨道和铰链

对于工作台表面,主要考虑因素包括足够的x射线透明度,根据IEC的EN 60601-2-46标准,以及ASTM的耐磨性和表面硬度标准,在关键点承受病人负荷的强度。根据重量分配策略载荷下的最大挠度限制在小于42.56毫米;桌面的负载能力是225公斤(496磅)。桌子的最大偏转发生在桌子的中心部分,也就是病人的躯干所在的地方。这是由于设计的空腔在桌子的内部组件,以确保所需的x射线半透明(图1)。

用于医疗表系统的复合铰链

图2.转折点。一个机械臂通过特别设计的铰接连接器连接到桌子的轨道上,形状像电子游戏中的角色吃豆人。由于预浸层之间的弹性体层,铰链能够很容易地在附着的组件周围滑动。当空气从中空腔中泵入或抽出时,弹性体层会膨胀并锁定位置,收缩允许运动。该铰链的研制被认为是工作台系统设计的转折点。

根据Wit-Rusiecki,只要实现了机械要求,桌子本身就足够简单,因为若干现有的综合医疗表已经在市场上作为基线。然而,建立全综合系统,要求团队设计和工程师一组定制的复合轨道为桌面的两侧,更换典型的金属轨道,以及一些用于医疗设备的连接系统,从程序期间挂起。

在构建原型之前,研发团队为不同的连接系统提出了几十个想法,根据自然界中的形状到门铰链,并且RAN有限元(FEM)模拟将列表缩小到三个最有前途的选择。团队建立了三种选项的模具和物理原型,以便测试以验证负载能力。

图3所示。骑rails。模压到表的边缘中的脊侧轨能够附着各种外科手术工具和仪器。与“PAC-MAN”铰链一样,这些轨道具有橡胶侧部件,使空气能够泵送进出部分(见图)。

两个连接设计使其进入最终的系统原型。最有效的设计被认为是整个项目的“转折点”。由于其形状,内部称为“PAC-MAN”设计,一个中空,圆柱形部件拟合在两个平行的复合支柱之间,从桌子的末端突出。该圆柱形部件形成铰链,以将可移动的矫形臂切开桌子的末端(图2)。

这个铰链组件最大的挑战是它的双重功能:它不仅需要移动才能转动手臂,而且还必须在移动到所需位置后将手臂锁在原位。为了实现这一目标,威特-复合材料公司开发了一种使用压缩气泵的策略,这种气泵已经安装在许多手术台上。该组件的大部分外皮是由刚性预浸料制成;圆柱体内的吃豆人状凹口由一层弹性的薄预浸料层制成。附在压缩气泵上的一根管子迫使空气进入部件的内腔,使皮肤的弹性部分膨胀,推动它对抗联锁臂并阻止运动。当空气从空腔中释放出来时,柔性壁收缩,使铰链运动。“最终的形状满足假设的强度参数,在一秒钟内,使用压缩空气,每个手术室都可以使用,操作附件可以安装到桌面的侧轨上,”Soszyńska说。

复合医疗台铰链

图4所示。复合材料连接。Pac-Man-Inspired Hinge(1)的这种横截面示出了如何与医疗器械和复合矫形臂(2)拟合。

使用这种相同的柔性复合材料和空气泵设计,机智复合材料还开发了可锁定的轨道夹具机构,以实现沿着桌子侧面的医疗器械的稳定性(图3和绘图)。

“该解决方案的多功能性的特征在于它可以用作管状元件的连接器,并且对于腿部,骨盆或脊柱手术期间通常用于矫形附着的铰链销,”Soszyńska说。

“我们所取得的成就是现在没有必要在手术过程中移动患者,”Wit-Rusiecki增加了。“对于这个项目,我们必须使用我们的所有功能,部分和材料设计以及制造技术。”

商业化、新市场

通过成功的设计,WIT-Composites现在的目标是与医疗设备制造商合作,为外科手术台产品线提供复合组件。Soszyńska表示,该公司已经开始通过威特复合材料公司在内华达州拉斯维加斯向欧洲和美国的几家公司演示这项技术。、办公室。然而,不幸的是,冠状病毒大流行推迟了谈判,也推迟了团队旅行和演示技术的能力。

与此同时,该公司将为这个项目创造的设计创新作为其他项目的跳板,特别是“吃豆人”铰链设计。例如,作为波兰科学院高压物理研究所的分包商,WIT-Composites正在为国家研发中心(波兰华沙)的氢存储项目开发一种150 mpa (21755 psi)的氢存储容器。为手术台项目开发的柔性复合材料和铰链连接器设计导致了用于氢加气站的纤维缠绕碳纤维复合管道的新解决方案的开发。“这是一个全新的建筑,对市场来说是独一无二的。这个项目诞生于我们的医用手术台工作,”witr - rusiecki说。另一个长期目标是将铰链技术从该项目转移到航天器和卫星部件。

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