Inovasi desain meningkatkan efisiensi meja medis komposit

• Bagian atas meja, rel samping, dan lengan bedah opsional untuk memperbesar transparansi sinar-X.
• Bagian komposit elastis dalam sistem sambungan rel dan engsel memungkinkan sistem pemompaan udara untuk memasang peralatan medis ke meja dengan aman.
• Teknologi berfungsi sebagai batu loncatan untuk teknologi gabungan komposit-pada-komposit masa depan.

Komposit serat karbon sering digunakan untuk membuat permukaan meja bedah. Tidak seperti logam atau bahan lainnya, komposit serat karbon bersifat transparan sinar-X, properti yang sangat membantu saat mengambil gambar radiografi pasien. Namun, seperti yang ditemukan WIT-Composites (Lublin, Polandia), desain meja ujian tradisional tidak selalu yang paling efektif untuk kebutuhan pekerja medis.

WIT-Composites berspesialisasi dalam komponen komposit serat karbon yang diawetkan dengan autoklaf untuk pelanggan di berbagai pasar, termasuk perawatan kesehatan. Pada tahun 2017, Michael Wit-Rusiecki, direktur R&D di WIT-Composites, dan timnya mulai mendengar dari pelanggan industri medis tentang masalah yang dihadapi staf medis saat melakukan bedah jantung, bedah vaskular, bedah saraf, dan bedah ortopedi menggunakan tabel komposit. Jenis operasi ini, jelasnya, seringkali memerlukan pencitraan sinar-X selama prosedur.

“Apa yang kami pelajari adalah bahwa salah satu tantangan utama dalam melakukan berbagai tes dan layanan medis, bahkan pada meja medis dengan permukaan komposit sinar-X, adalah bahwa semua konektor tempat instrumen dipasang ke meja adalah terbuat dari logam,” katanya. Ini berarti bahwa untuk prosedur atau tes tertentu yang memerlukan transparansi sinar-X, staf medis mungkin perlu memindahkan atau memposisikan ulang pasien beberapa kali selama prosedur untuk menghindari area meja yang tidak transparan terhadap sinar-X.

“Kami melakukan wawancara dan riset pasar dengan para dokter di Polandia untuk memastikan bahwa benar-benar ada kebutuhan nyata akan solusi baru di bidang ini, dan kami belajar banyak,” tambah Weronika Soszyńska, direktur pelaksana WIT-Composites. Misalnya, dia mengatakan bahwa ahli anestesi memberi tahu mereka tentang berapa banyak infus, elektroda, dan peralatan lain yang terhubung ke pasien yang dapat copot ketika pasien harus dipindahkan. “Ada banyak masalah yang tidak Anda pikirkan, dan para dokter yang kami ajak bicara mengatakan bahwa mereka akan sangat senang jika solusi dapat dikembangkan,” katanya.

Dengan dukungan keuangan dari Dana Pembangunan Regional Eropa di bawah inisiatif Operational Program Smart Growth 2014-2020, departemen R&D WIT-Composites menghabiskan dua tahun berikutnya untuk mengerjakan desain meja medis yang sepenuhnya komposit, termasuk rel dan sistem sambungan. Menurut Wit-Rusiecki, prosesnya tidak sesederhana yang diharapkan.

Komponen yang kompleks menghasilkan inovasi material

Gbr. 1. Simulasi beban. Saat mendesain permukaan meja, WIT-Composites memodelkan defleksi material di bawah beban (gambar atas) dan distribusi berat (gambar bawah) untuk memastikan permukaan memiliki kekakuan dan ketahanan yang diperlukan untuk aus sejalan dengan distribusi berat pasien. Kredit foto, semua gambar:WIT-Composites

“Kami mulai merancang keseluruhan sistem:permukaan meja operasi, pagar samping, dan elemen engsel, semuanya terbuat dari komposit,” jelas Wit-Rusiecki. Lengan ortopedi opsional untuk digunakan selama operasi, juga dibuat dari komposit, juga dikembangkan. Masing-masing komponen ini hadir dengan tantangan desain dan persyaratan mekanisnya sendiri, dan menghasilkan proses coba-coba selama dua tahun.

“Kami melakukan berbagai proyek R&D, melihat komposisi material yang berbeda, mencoba serat yang berbeda dari pemasok yang berbeda, dan melapisi elastomer dan prepreg serat karbon/epoksi dengan cara yang berbeda,” kata Wit-Rusiecki. Namun, dia mengakui bahwa tim awalnya mengalami beberapa masalah dengan material, termasuk retakan pada laminasi komposit, perbedaan berat dan sifat material antara material dari pemasok yang berbeda, dan — yang paling menantang, menurut Wit-Rusiecki — kesulitan menyeimbangkan elastisitas properti terhadap persyaratan beban di berbagai bagian tabel.

Desain pertama kali dianalisis melalui program seperti SolidWorks (Dassault Systèmes, Waltham, Mass., U.S.), CATIA (Dassault) dan NX (Siemens, Plano, Texas, U.S.) dan diuji untuk parameter tertentu seperti regangan dan elastisitas. Sampel fisik berulang diuji kekuatannya di laboratorium eksternal bersertifikat, dan uji permukaan tribologis untuk kekerasan dan ketahanan aus dilakukan di tempat uji yang dirancang secara internal perusahaan.

Pilihan material untuk masing-masing komponen dibuat berdasarkan hasil pengujian, termasuk prepreg serat karbon/epoksi dan, untuk elastisitas tambahan, aplikasi lokal lapisan elastomer karet. Menurut Soszyńska, lapisan elastomer menciptakan komposit yang fleksibel (dengan modulus Young variabel) dan tahan terhadap perubahan beban mendadak.

Untuk setiap komponen pada prototipe skala penuh, lembaran bahan prepreg serat karbon berlapis dan bahan elastomer dipotong untuk membentuk, ditempatkan ke dalam cetakan yang dirancang dan dibuat oleh WIT-Composites, dikantongi vakum dan disembuhkan melalui autoklaf.

Mendesain permukaan meja, rel, dan engsel

Untuk permukaan meja, pertimbangan utama termasuk transparansi sinar-X yang memadai, kekuatan untuk menahan beban pasien pada titik-titik utama menurut standar EN 60601-2-46 IEC, dan standar ASTM untuk ketahanan aus dan kekerasan permukaan. Lendutan maksimum di bawah beban menurut strategi distribusi berat dibatasi kurang dari 42,56 milimeter; kapasitas beban meja adalah 225 kilogram (496 pon). Lendutan maksimum pada bagian atas meja terjadi di bagian tengah meja, di mana batang tubuh pasien berada. Hal ini disebabkan oleh rongga yang dirancang pada komponen interior meja, untuk memastikan transparansi sinar-X yang diperlukan (Gbr. 1).

Gbr. 2. Titik balik. Lengan mekanis menempel pada rel meja melalui konektor berengsel yang dirancang khusus, berbentuk seperti karakter video game Pac-Man. Engsel dapat meluncur dengan mudah di sekitar komponen yang terpasang karena lapisan elastomer di antara lapisan prepreg, yang mengembang untuk mengunci di tempatnya dan berkontraksi untuk memungkinkan gerakan saat udara dipompa ke dalam atau dikeluarkan dari rongga berongga. Pengembangan engsel ini dianggap sebagai titik balik dalam desain sistem meja.

Menurut Wit-Rusiecki, meja itu sendiri cukup sederhana untuk dirancang selama persyaratan mekanis tercapai, karena beberapa meja medis komposit yang ada sudah ada di pasaran untuk dijadikan sebagai dasar. Namun, untuk membangun sistem yang seluruhnya komposit, diperlukan tim untuk merancang dan merekayasa serangkaian rel komposit yang disesuaikan untuk kedua sisi permukaan meja, untuk menggantikan rel logam biasa, dan beberapa jenis sistem sambungan untuk menggantung peralatan medis selama prosedur.

Sebelum membangun prototipe, tim R&D menyusun beberapa lusin ide untuk sistem koneksi yang berbeda, berdasarkan segala sesuatu mulai dari bentuk yang ditemukan di alam hingga engsel pintu, dan menjalankan simulasi elemen hingga (FEM) untuk mempersempit daftar menjadi tiga pilihan yang paling menjanjikan. Tim membuat cetakan dan prototipe fisik dari tiga opsi untuk pengujian guna memverifikasi kapasitas muatan.

Dua desain koneksi berhasil masuk ke prototipe sistem akhir. Desain yang paling efektif dianggap sebagai "titik balik" dari keseluruhan proyek. Secara internal disebut sebagai desain "Pac-Man" karena bentuknya, komponen silindris berongga cocok di antara dua penyangga komposit paralel yang menonjol dari ujung meja. Komponen silindris ini membentuk engsel untuk menghubungkan lengan ortopedi yang dapat digerakkan dari ujung meja (Gbr. 2).

Tantangan terbesar dari komponen engsel ini adalah kemampuan fungsi gandanya:Tidak hanya harus dapat digerakkan untuk memungkinkan rotasi lengan, tetapi juga harus mengunci lengan di tempatnya setelah dipindahkan ke posisi yang diinginkan. Untuk mencapai hal ini, WIT-Composites mengembangkan strategi yang menggunakan pompa udara terkompresi dari jenis yang sudah terpasang di banyak meja operasi. Mayoritas kulit luar komponen terbuat dari prepreg yang kaku; lekukan seperti Pac-Man di dalam silinder dibuat dengan lapisan prepreg tipis yang dibuat elastis dengan lapisan elastomer. Sebuah tabung yang terpasang pada pompa udara terkompresi memaksa udara di dalam rongga interior bagian tersebut, yang memperluas bagian elastis kulit, mendorongnya ke lengan yang saling mengunci dan mencegah gerakan. Ketika udara dilepaskan dari rongga, dinding fleksibel berkontraksi, memungkinkan pergerakan engsel. “Bentuk akhir memenuhi parameter kekuatan yang diasumsikan dan dalam satu detik, menggunakan udara bertekanan, yang tersedia di setiap ruang operasi, attachment pengoperasian dapat dipasang ke rel samping bagian atas meja,” kata Soszyńska.

Gbr. 4. Sambungan komposit. Penampang engsel yang terinspirasi dari Pac-Man (1) ini menunjukkan bagaimana engsel ini cocok dengan instrumen medis dan lengan ortopedi komposit (2).

Dengan menggunakan komposit fleksibel dan desain pompa udara yang sama, WIT-Composites juga mengembangkan mekanisme penjepit rel yang dapat dikunci untuk memungkinkan stabilitas instrumen medis di sepanjang sisi meja (Gbr. 3 dan gambar).

“Keserbagunaan solusi ini ditandai dengan fakta bahwa solusi ini dapat digunakan sebagai konektor untuk elemen tubular dan untuk pin engsel yang sering digunakan dalam pemasangan ortopedi selama operasi kaki, panggul, atau tulang belakang,” kata Soszyńska.

“Apa yang telah kami capai adalah sekarang tidak perlu memindahkan pasien selama operasi,” tambah Wit-Rusiecki. “Untuk proyek ini, kami harus menggunakan semua kemampuan kami, sebagian dan desain material, dan juga teknologi manufaktur.”

Komersialisasi, pasar baru

Dengan desain yang sukses, WIT-Composites sekarang bertujuan untuk bermitra dengan produsen peralatan medis untuk memasok komponen komposit untuk lini produk meja bedah. Soszyńska mengatakan bahwa perusahaan telah mulai mendemonstrasikan teknologi tersebut ke beberapa perusahaan di Eropa dan Amerika Serikat melalui kantor WIT-Composites di Las Vegas, Nev. Sayangnya, bagaimanapun, pandemi virus corona telah menunda negosiasi dan kemampuan tim untuk melakukan perjalanan dan mendemonstrasikan teknologinya.

Sementara itu, perusahaan telah menggunakan inovasi desain yang dibuat untuk proyek ini sebagai batu loncatan untuk proyek lain, terutama desain engsel "Pac-Man". Misalnya, WIT-Composites sedang mengembangkan wadah penyimpanan hidrogen 150-MPa (21.755 psi) untuk program Penyimpanan Hidrogen di Pusat Penelitian dan Pengembangan Nasional (Warsawa, Polandia), sebagai subkontraktor dari Institut Fisika Bertekanan Tinggi di Akademi Ilmu Pengetahuan Polandia (Warsawa). Bahan komposit fleksibel dan desain konektor engsel yang dikembangkan untuk proyek meja bedah mengarah pada pengembangan solusi baru untuk pipa komposit serat karbon filamen-wound yang akan digunakan pada stasiun pengisian bahan bakar hidrogen. “Ini adalah konstruksi yang benar-benar baru, sesuatu yang unik untuk pasar. Dan proyek ini lahir dari pekerjaan meja medis kami, ”kata Wit-Rusiaecki. Tujuan jangka panjang lainnya adalah mentransfer teknologi engsel dari proyek ini ke komponen pesawat ruang angkasa dan satelit.