Revolucionando Estações Cirúrgicas: Novo Design de Mesa Compósito Aumenta Eficiência e Transparência a Raios-X

• Tampo de mesa, trilhos laterais e braço cirúrgico opcional totalmente compósitos ampliam área de transparência a raios-X.
• Seções compósitos elásticas nos sistemas de conexão de trilho e dobradiça permitem sistema de bombeamento de ar para fixação segura de equipamentos médicos à mesa.
• Tecnologia serve como trampolim para futuras tecnologias de juntas compósito-compósito.

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

Desafios Identificados

A WIT-Composites especializa-se em componentes compósitos de fibra de carbono de alta engenharia, curados em autoclave, para clientes em vários mercados, incluindo saúde. Em 2017, Michael Wit-Rusiecki, diretor de P&D na WIT-Composites, e sua equipe começaram a ouvir de clientes da indústria médica sobre problemas que a equipe médica encontra ao realizar cirurgia cardíaca, vascular, neurocirurgia e cirurgias ortopédicas usando mesas compósitos. Estes tipos de operações, ele explica, frequentemente requerem imagem de raios-X durante o procedimento.

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

"Realizamos entrevistas e pesquisa de mercado com médicos na Polônia para garantir que realmente há uma necessidade verdadeira para uma nova solução nesta área, e aprendemos muito", adiciona Weronika Soszyńska, diretora administrativa da WIT-Composites. Por exemplo, ela diz que anestesiologistas contaram a eles sobre como muitos dos IVs, eletrodos e outros equipamentos conectados aos pacientes podem se deslocar quando os pacientes têm que ser movidos. "Há muitos problemas que você não pensa, e os médicos com quem conversamos disseram que ficariam muito felizes se uma solução pudesse ser desenvolvida", diz ela.

Componentes Complexos Levam a Inovações em Materiais

Com apoio financeiro do Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional sob a iniciativa Programa Operacional Crescimento Inteligente 2014-2020, o departamento de P&D da WIT-Composites gastou os próximos dois anos trabalhando em um design de mesa médica que é completamente compósito, incluindo trilhos e sistemas de conexão. Segundo Wit-Rusiecki, não foi um processo tão simples quanto esperado.

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

"Nos propusemos a projetar um sistema inteiro: a superfície da mesa de operação, a grade lateral e um elemento de dobradiça, todos feitos de compósitos", explica Wit-Rusiecki. Um braço ortopédico opcional para ser usado durante operações, também feito de compósitos, também foi desenvolvido. Cada um destes 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, olhando para diferentes composições de materiais, testando diferentes fibras de diferentes fornecedores, e camadas de elastômeros e pré-impregnado de fibra de carbono/epóxi de diferentes maneiras", diz Wit-Rusiecki. No entanto, ele admite que a equipe inicialmente encontrou vários problemas com os materiais, incluindo rachaduras nos laminados compósitos, diferenças de peso e propriedades de materiais entre materiais de diferentes fornecedores, e — o mais desafiador de todos, segundo Wit-Rusiecki — dificuldade em equilibrar propriedades elásticas contra requisitos de carga em diferentes seções da mesa.

Designs foram primeiro analisados via programas como 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 de resistência em laboratório externo certificado, e testes tribologicos de superfície para dureza e resistência ao desgaste foram realizados internamente no suporte de teste projetado internamente pela empresa.

Escolhas de materiais para componentes individuais foram feitas baseadas em resultados de testes, incluindo pré-impregnado de fibra de carbono/epóxi e, para elasticidade adicional, aplicação local de camadas de elastômero de borracha. Segundo Soszyńska, a camada de elastômero cria um compósito que é tanto flexível (com módulo de Young variável) quanto resistente a mudanças bruscas de carga.

Para cada um dos componentes no protótipo de escala real, folhas de pré-impregnado de fibra de carbono e materiais elastoméricos em camadas foram cortadas no formato, colocadas em moldes projetados e construídos pela WIT-Composites, embaladas a vácuo e curadas via autoclave.

Projetando a Superfície da Mesa, Trilhos e Dobradiças

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

Fig. 2. Um ponto de virada. Um braço mecânico se conecta aos trilhos da mesa via conectores de dobradiça especialmente projetados, moldados como o personagem de videogame Pac-Man. As dobradiças são capazes de deslizar facilmente ao redor de componentes anexados devido a camadas de elastômeros entre as camadas de pré-impregnado, que expandem para travar no lugar e contraem para permitir movimento conforme o ar é bombeado para dentro ou removido de uma cavidade oca. O desenvolvimento desta dobradiça foi considerado o ponto de virada no design do sistema de mesa.

Segundo Wit-Rusiecki, a mesa em si era simples o suficiente para projetar desde que os requisitos mecânicos fossem atingidos, pois várias mesas médicas compósitos existentes já estão no mercado para servir como base. Para construir um sistema totalmente compósito, no entanto, exigiu que a equipe projetasse e engenheirasse um conjunto de trilhos compósitos personalizados para cada lado da superfície da mesa, para substituir trilhos metálicos típicos, e algum tipo de sistema de conexão para equipamentos médicos pendurarem durante procedimentos.

Antes de construir um protótipo, a equipe de P&D desenhou várias dezenas de ideias para diferentes sistemas de conexão, baseados em tudo, desde formas encontradas na natureza até dobradiças de porta, e rodou simulações de elementos finitos (FEM) para reduzir a lista para as três escolhas mais promissoras. A equipe construiu moldes e protótipos físicos das três opções para teste para verificar capacidade de carga.

Dois designs de conexão chegaram ao protótipo final do sistema. O design mais eficaz foi considerado o "ponto de virada" do projeto inteiro. Internamente referido como o design "Pac-Man" devido à sua forma, um componente cilíndrico oco encaixa entre dois suportes compósitos paralelos que protrudem da extremidade da mesa. Este componente cilíndrico forma uma dobradiça para conectar um braço ortopédico móvel fora da extremidade da mesa (Fig. 2).

O maior desafio deste componente de dobradiça é sua capacidade de dupla função: Ele precisa não apenas ser móvel para permitir rotação do braço, mas também deve travar o braço no lugar depois que foi movido para a posição desejada. Para alcançar isso, a WIT-Composites desenvolveu uma estratégia que usa uma bomba de ar comprimido do tipo já instalada em muitas mesas de operação. A maior parte da pele externa do componente é feita de pré-impregnado rígido; o recorte tipo Pac-Man dentro do cilindro é feito com uma fina camada de pré-impregnado tornada elástica com uma camada de elastômero. Um tubo conectado a uma bomba de ar comprimido força ar dentro da cavidade interior da peça, que expande a seção elástica da pele, empurrando-a contra o braço intertravado e impedindo movimento. Quando o ar é liberado da cavidade, a parede flexível contrai, permitindo movimento da dobradiça. "O formato final atende aos parâmetros de resistência assumidos e dentro de um segundo, usando ar comprimido, que está disponível em toda sala de operação, o acessório operacional pode ser montado no trilho lateral do tampo da mesa", diz Soszyńska.

Fig. 4. Conexões compósitos. Esta seção transversal da dobradiça inspirada no Pac-Man (1) mostra como ela se encaixa com instrumentos médicos e braços ortopédicos compósitos (2).

Usando este mesmo design de compósito flexível e bomba de ar, a WIT-Composites também desenvolveu um mecanismo de trava de trilho travável para permitir estabilidade de instrumentos médicos ao longo dos lados da mesa (Fig. 3 e desenho).

"A versatilidade desta solução é caracterizada pelo fato de que pode ser usada como conector para elementos tubulares e para pinos de dobradiça frequentemente usados em acessórios ortopédicos durante cirurgias de perna, pélvis ou coluna", diz Soszyńska.

"O que alcançamos é que agora não há necessidade de mover os pacientes durante a operação", adiciona Wit-Rusiecki. "Para este projeto, tivemos que usar todas as nossas capacidades, em design de peça e material, e também tecnologia de manufatura."

Comercialização, Novos Mercados

Com um design bem-sucedido no lugar, a WIT-Composites agora visa fazer parceria com um fabricante de equipamentos médicos para fornecer os componentes compósitos para uma linha de produto de mesa cirúrgica. Soszyńska diz que a empresa começou a demonstrar a tecnologia a várias empresas na Europa e nos Estados Unidos através do escritório da WIT-Composites em Las Vegas, Nevada. Infelizmente, no entanto, a pandemia de coronavírus atrasou negociações e a capacidade da equipe de viajar e demonstrar a tecnologia.

Enquanto isso, a empresa usou as inovações de design que criou para este projeto como trampolim para outros projetos, especialmente o design de dobradiça "Pac-Man". Por exemplo, a WIT-Composites está desenvolvendo um vaso 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 subcontratada do Instituto de Física de Alta Pressão na Academia Polonesa de Ciências (Varsóvia). O material compósito flexível e design de conector de dobradiça desenvolvidos para o projeto da mesa cirúrgica levaram ao desenvolvimento de uma nova solução para tubos compósitos de fibra de carbono filament-wound para serem usados em estações de reabastecimento de hidrogênio. "Esta é uma construção completamente nova, algo único no 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 componentes de espaçonaves e satélites.