Inovações de design melhoram a eficiência da mesa médica composta

• Tampo de mesa totalmente composto, grades laterais e braço cirúrgico opcional ampliam a área de transparência de raios-X.
• Seções elásticas compostas em sistemas de conexão de trilhos e dobradiças permitem o sistema de bombeamento de ar para prender equipamentos médicos à mesa com segurança.
• A tecnologia serve como um trampolim para futuras tecnologias de juntas composto sobre composto.

Os compósitos de fibra de carbono são freqüentemente usados ​​para fabricar as superfícies das mesas cirúrgicas. Ao contrário do metal ou de outros materiais, os compostos de fibra de carbono são transparentes aos raios X, uma propriedade útil ao obter imagens radiográficas de pacientes. No entanto, como a WIT-Composites (Lublin, Polônia) descobriu, o design tradicional da mesa de exame nem sempre é o mais eficaz para as necessidades dos trabalhadores médicos.

A WIT-Composites é especializada em componentes compostos de fibra de carbono curados em autoclave de alta engenharia para clientes em vários mercados, incluindo saúde. Em 2017, Michael Wit-Rusiecki, diretor de P&D da WIT-Composites, e sua equipe começaram a ouvir clientes da indústria médica sobre problemas que a equipe médica encontra durante a realização de cardiocirurgia, cirurgia vascular, neurocirurgia e cirurgias ortopédicas usando mesas compostas. Esses tipos de operações, explica ele, geralmente requerem imagens de raios-X durante o procedimento.

“O que aprendemos é que um dos maiores desafios quando se trata de realizar vários exames e serviços médicos, mesmo em mesas médicas com superfícies compostas e transparentes para raios X, é que todos os conectores onde os instrumentos são fixados à mesa estão feito de metal ”, diz ele. Isso significa que, para certos procedimentos ou testes que exigem transparência aos raios-X, a equipe médica pode precisar mover ou reposicionar os pacientes várias vezes durante o procedimento para evitar áreas da mesa que não sejam transparentes aos raios-X.

“Realizamos entrevistas e pesquisas de mercado com médicos na Polônia para garantir que realmente havia uma necessidade real de uma nova solução nesta área e aprendemos muito”, acrescenta Weronika Soszyńska, diretora geral da WIT-Composites. Por exemplo, ela diz que os anestesiologistas lhes contaram sobre quantos dos IVs, eletrodos e outros equipamentos conectados aos pacientes podem ser desalojados quando os pacientes precisam ser movidos. “Há muitos problemas em que você não pensa, e os médicos com quem conversamos disseram que ficariam muito felizes se uma solução pudesse ser desenvolvida”, diz ela.

Com o apoio financeiro do Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional no âmbito da iniciativa Smart Growth 2014-2020 do Programa Operacional, o departamento de P&D da WIT-Composites passou os próximos dois anos trabalhando em um projeto de mesa médica que é completamente composto, incluindo trilhos e sistemas de conexão. De acordo com Wit-Rusiecki, não foi um processo tão simples quanto o esperado.

Componentes complexos levam a inovações materiais

Fig. 1. Simulando cargas. Ao projetar a superfície da mesa, a WIT-Composites modelou a deflexão do material sob carga (imagem superior) e distribuição de peso (imagem inferior) para garantir que a superfície tivesse a rigidez e resistência necessárias ao desgaste em alinhamento com a distribuição do peso do paciente. Crédito da foto, todas as imagens:WIT-Composites

“Decidimos projetar um sistema completo:a superfície da mesa cirúrgica, a grade lateral e um elemento de dobradiça, todos feitos de compósitos”, explica Wit-Rusiecki. Um braço ortopédico opcional para ser usado durante as operações, também feito de compósitos, também foi desenvolvido. Cada um desses componentes veio com seus próprios desafios de design e requisitos mecânicos e resultou em um processo de tentativa e erro de dois anos.

“Realizamos vários projetos de P&D, analisando diferentes composições de materiais, testando diferentes fibras de diferentes fornecedores e aplicando camadas de elastômeros e fibra de carbono / epóxi pré-impregnado de maneiras diferentes”, diz Wit-Rusiecki. No entanto, ele admite que a equipe inicialmente teve vários problemas com os materiais, incluindo rachaduras nos laminados compostos, diferenças de peso e propriedades do material entre materiais de diferentes fornecedores e - o mais desafiador de tudo, de acordo com Wit-Rusiecki - dificuldade de balancear elásticos propriedades em relação aos requisitos de carga em diferentes seções da tabela.

Os projetos foram primeiro analisados ​​por meio de programas como o SolidWorks (Dassault Systèmes, Waltham, Mass., EUA), CATIA (Dassault) e NX (Siemens, Plano, Texas, EUA) e testados para parâmetros específicos, como deformação e elasticidade. Amostras físicas iterativas foram testadas em um laboratório externo certificado, e os testes tribológicos de superfície para dureza e resistência ao desgaste foram realizados internamente na bancada de teste projetada internamente da empresa.

As escolhas de materiais para componentes individuais foram feitas com base nos resultados dos testes, incluindo fibra de carbono / epóxi prepreg e, para elasticidade adicional, aplicação local de camadas de elastômero de borracha. De acordo com Soszyńska, a camada de elastômero cria um composto que é flexível (com módulo de Young variável) e resistente a mudanças repentinas de carga.

Para cada um dos componentes do protótipo em escala real, folhas de pré-impregnado de fibra de carbono em camadas e materiais de elastômero foram cortados, colocados em moldes projetados e construídos pela WIT-Composites, ensacados a vácuo e curados por autoclave.

Projetar a superfície da mesa, trilhos e dobradiças

Para a superfície da mesa, as principais considerações incluíram transparência de raios-X adequada, a força para suportar cargas do paciente em pontos-chave de acordo com os padrões EN 60601-2-46 do IEC e os padrões ASTM para resistência ao desgaste e dureza superficial. A deflexão máxima sob a carga de acordo com a estratégia de distribuição de peso foi limitada a menos de 42,56 milímetros; a capacidade de carga da mesa era de 225 kg (496 libras). A deflexão máxima no tampo da mesa ocorre na parte central da mesa, onde ficaria o tronco de um paciente. Isso foi causado por um vazio projetado nos componentes internos da mesa, para garantir a translucidez de raios-X necessária (Fig. 1).

Fig. 2. Um ponto de inflexão. Um braço mecânico se conecta aos trilhos da mesa por meio de conectores articulados especialmente projetados, em forma de personagem de videogame Pac-Man. As dobradiças podem deslizar facilmente em torno dos componentes fixados devido às camadas de elastômeros entre as camadas do pré-impregnado, que se expandem para travar no lugar e se contrair para permitir o movimento conforme o ar é bombeado para dentro ou removido de uma cavidade oca. O desenvolvimento desta dobradiça foi considerado o ponto de viragem no design do sistema de mesa.

De acordo com Wit-Rusiecki, a mesa em si era simples de projetar, desde que os requisitos mecânicos fossem atendidos, já que várias mesas médicas compostas existentes já estão no mercado para servir como uma linha de base. Para construir um sistema totalmente composto, no entanto, exigia que a equipe projetasse e construísse um conjunto de trilhos compostos personalizados para ambos os lados da superfície da mesa, para substituir trilhos de metal típicos, e algum tipo de sistema de conexão para equipamentos médicos pendurados durante os procedimentos.

Antes de construir um protótipo, a equipe de P&D elaborou várias dezenas de ideias para diferentes sistemas de conexão, com base em tudo, desde formas encontradas na natureza até dobradiças de portas, e executou simulações de elementos finitos (FEM) para restringir a lista às três escolhas mais promissoras. A equipe construiu moldes e protótipos físicos das três opções de teste para verificar a capacidade de carga.

Dois projetos de conexão chegaram ao protótipo final do sistema. O design mais eficaz foi considerado o “ponto de viragem” de todo o projeto. Chamado internamente de design “Pac-Man” devido ao seu formato, um componente cilíndrico oco se encaixa entre dois suportes compostos paralelos que se projetam da extremidade da mesa. Este componente cilíndrico forma uma dobradiça para conectar um braço ortopédico móvel na extremidade da mesa (Fig. 2).

O maior desafio deste componente de dobradiça é sua capacidade de função dupla:ele precisa não apenas ser móvel para permitir a rotação do braço, mas também deve travar o braço no lugar depois de ser movido para a posição desejada. Para isso, a WIT-Composites desenvolveu uma estratégia que utiliza uma bomba de ar comprimido do tipo já instalada em muitas mesas cirúrgicas. A maior parte da pele externa do componente é feita de pré-impregnado rígido; o recuo semelhante ao Pac-Man dentro do cilindro é feito com uma fina camada pré-impregnada elástica com uma camada de elastômero. Um tubo conectado a uma bomba de ar comprimido força o ar dentro da cavidade interna da peça, o que expande a seção elástica da pele, empurrando-a contra o braço de travamento e impedindo o movimento. Quando o ar é liberado da cavidade, a parede flexível se contrai, permitindo o movimento da dobradiça. “A forma final atende aos parâmetros de resistência assumidos e em um segundo, usando ar comprimido, que está disponível em todas as salas de cirurgia, o acessório operacional pode ser montado na grade lateral da mesa”, diz Soszyńska.

Fig. 4. Conexões compostas. Esta seção transversal da dobradiça inspirada em Pac-Man (1) mostra como ela se encaixa em instrumentos médicos e braços ortopédicos compostos (2).

Usando esse mesmo composto flexível e projeto de bomba de ar, a WIT-Composites também desenvolveu um mecanismo de grampo de trilho travável para permitir a estabilidade de instrumentos médicos ao longo das laterais da mesa (Fig. 3 e desenho).

“A versatilidade desta solução é caracterizada pelo fato de que pode ser usada como um conector para elementos tubulares e para pinos de dobradiça frequentemente usados ​​em conexões ortopédicas durante cirurgias de perna, pélvis ou coluna vertebral”, diz Soszyńska.

“O que conseguimos é que agora não há necessidade de mover os pacientes durante a operação”, acrescenta Wit-Rusiecki. “Para este projeto, tivemos que usar todas as nossas capacidades, em design de parte e material, e também tecnologia de fabricação.”

Comercialização, novos mercados

Com um projeto bem-sucedido no local, a WIT-Composites agora tem como objetivo fazer parceria com um fabricante de equipamentos médicos para fornecer os componentes compostos para uma linha de produtos de mesa cirúrgica. Soszyńska diz que a empresa começou a demonstrar a tecnologia para várias empresas na Europa e nos Estados Unidos por meio do escritório da WIT-Composites em Las Vegas, Nevada. Infelizmente, no entanto, a pandemia de coronavírus atrasou as negociações e a capacidade da equipe de viajar e demonstrar a tecnologia.

Nesse ínterim, a empresa usou as inovações de design que criou para este projeto como um trampolim para outros projetos, especialmente o design da dobradiça “Pac-Man”. Por exemplo, a WIT-Composites está desenvolvendo um recipiente de armazenamento de hidrogênio de 150 MPa (21.755 psi) para o programa de Armazenamento de Hidrogênio no Centro Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (Varsóvia, Polônia), como um subcontratado do Instituto de Física de Alta Pressão em a Academia Polonesa de Ciências (Varsóvia). O material composto flexível e o design do conector de dobradiça desenvolvido para o projeto da mesa cirúrgica levaram ao desenvolvimento de uma nova solução para tubos compostos de fibra de carbono enrolados em filamentos a serem usados ​​em estações de reabastecimento de hidrogênio. “Esta é uma construção completamente nova, algo exclusivo para mercado. E este projeto nasceu do nosso trabalho de mesa médica ”, diz Wit-Rusiecki. Outro objetivo de longo prazo é transferir a tecnologia de dobradiça deste projeto para a espaçonave e os componentes do satélite.