Merevolusioner Stasiun Kerja Bedah: Desain Meja Komposit Baru Meningkatkan Efisiensi dan Transparansi X-ray

• Atas meja, sisi rail dan lengan bedah opsional semua komposit memperluas area transparansi X-ray.
• Bagian komposit elastis dalam sistem rail dan koneksi geser memungkinkan sistem pompa udara untuk memasang peralatan medis secara aman ke meja.
• Teknologi berfungsi sebagai papan luncur untuk teknologi gabungan komposit-pada-komposit di masa depan.

Komposit serat sering digunakan untuk membuat permukaan meja bedah. Tidak seperti logam atau bahan lain, komposit serat transparan X-ray, properti yang membantu saat mengambil gambar radiografi pasien. Namun, seperti yang ditemukan WIT-Composites (Lublin, Polonia), desain meja uji tradisional tidak selalu paling efektif untuk kebutuhan tenaga medis.

WIT-Composites spesialis dalam komponen komposit serat yang sangat direkayasa, dikeringkan autoklav untuk pelanggan di berbagai pasar, termasuk perawatan kesehatan. Pada 2017, Michael Wit-Rusiecki, direktur R&D di WIT-Composites, dan timnya mulai mendengar dari pelanggan industri medis tentang masalah yang dialami staf medis saat melakukan bedah jantung, bedah vaskular, bedah saraf dan bedah ortopedi menggunakan meja komposit. Jenis operasi ini, katanya, sering memerlukan pencitraan X-ray selama prosedur.

"Yang kami pelajari adalah bahwa salah satu tantangan utama ketika melakukan berbagai tes dan layanan medis, bahkan pada meja medis dengan permukaan komposit transparan X-ray, adalah bahwa semua konektor di mana instrumen dipasang ke meja terbuat dari logam," katanya. Ini berarti bahwa untuk beberapa prosedur atau tes yang memerlukan transparansi X-ray, staf medis mungkin perlu memindahkan atau mengubah posisi pasien beberapa kali selama prosedur untuk menghindari area meja yang tidak transparan terhadap X-ray.

"Kami melakukan wawancara dan riset pasar dengan dokter di Polonia untuk memastikan bahwa benar-benar ada kebutuhan akan solusi baru di area ini, dan kami belajar banyak," kata Weronika Soszyńska, direktur manajemen WIT-Composites. Misalnya, katanya dokter anestesi memberitahu mereka tentang berapa banyak IV, elektroda dan peralatan lain yang terhubung ke pasien dapat terlepas ketika pasien harus dipindahkan. "Ada banyak masalah yang tidak Anda pikirkan, dan dokter yang kami bicara mengatakan mereka akan sangat senang jika solusi dapat dikembangkan," katanya.

Dengan dukungan keuangan dari Dana Pembangunan Regional Eropa di bawah inisiatif Program Operational Pertumbuhan Cerdas 2014-2020, departemen R&D WIT-Composites menghabiskan dua tahun berikutnya bekerja pada desain meja medis yang sepenuhnya komposit, termasuk rail dan sistem koneksi. Menurut Wit-Rusiecki, prosesnya tidak seSimpel seperti yang diharapkan.

Kompleks komponen mengarah pada inovasi bahan

Fig. 1. Simulasi beban. Saat merancang permukaan meja, WIT-Composites memodelkan defleksi material di bawah beban (gambar atas) dan distribusi bobot (gambar bawah) untuk memastikan permukaan memiliki kekakuan dan resistensi terhadap aus yang diperlukan sesuai dengan distribusi bobot pasien. Kredit foto, semua gambar: WIT-Composites

"Kami bermaksud merancang seluruh sistem: permukaan meja operasi, sisi rail dan elemen geser, semuanya terbuat dari komposit," Wit-Rusiecki menjelaskan. Lengan ortopedi opsional yang akan digunakan selama operasi, juga terbuat dari komposit, juga dikembangkan. Setiap komponen ini datang dengan tantangan desain dan persyaratan mekaniknya sendiri, dan menghasilkan proses coba-coba selama dua tahun.

"Kami melakukan berbagai proyek R&D, melihat komposisi bahan yang berbeda, mencoba serat yang berbeda dari pemasok yang berbeda, dan berlapis elastomer dan prepreg serat karbon/epoxy dengan cara yang berbeda," kata Wit-Rusiecki. Namun, dia mengakui bahwa tim awalnya mengalami beberapa masalah dengan bahan, termasuk retakan dalam laminat komposit, perbedaan bobot dan properti bahan antara material dari pemasok yang berbeda, dan — paling tantang menurut Wit-Rusiecki — kesulitan menyeimbangkan properti elastis terhadap persyaratan beban di berbagai bagian meja.

Desain pertama kali dianalisis melalui program seperti SolidWorks (Dassault Systèmes, Waltham, Mass., AS), CATIA (Dassault) dan NX (Siemens, Plano, Texas, AS) dan diuji untuk parameter tertentu seperti strain dan elastisitas. Sampel fisik iteratif diuji kekuatannya di laboratorium eksternal yang bersertifikat, dan tes permukaan tribologis untuk kekerasan dan resistensi aus dilakukan di dalam perusahaan di tes stand yang dirancang secara internal.

Pilihan bahan untuk setiap komponen dibuat berdasarkan hasil tes, termasuk prepreg serat karbon/epoxy dan, untuk elastisitas tambahan, aplikasi lokal lapisan elastomer karet. Menurut Soszyńska, lapisan elastomer menciptakan komposit yang fleksibel (dengan modulus Young bervariasi) dan tahan terhadap perubahan beban tiba-tiba.

Untuk setiap komponen pada prototipe skala penuh, lembar material berlapis serat karbon prepreg dan elastomer dipotong ke bentuk, ditempatkan ke dalam cetakan yang dirancang dan dibangun oleh WIT-Composites, dikemas vakum dan dikeringkan melalui autoklav.

Merancang permukaan meja, rail dan geser

Untuk permukaan meja, pertimbangan utama meliputi transparansi X-ray yang memadai, kekuatan untuk menahan beban pasien pada titik kunci sesuai dengan standar IEC EN 60601-2-46, dan standar ASTM untuk resistensi aus dan kekerasan permukaan. Defleksi maksimum di bawah beban sesuai dengan strategi distribusi bobot dibatasi kurang dari 42,56 milimeter; kapasitas beban atas meja adalah 225 kilogram (496 pon). Defleksi maksimum pada atas meja terjadi di bagian tengah meja, di mana tubuh pasien akan berada. Ini disebabkan oleh void yang dirancang di dalam komponen interior meja, untuk memastikan translucensi X-ray yang diperlukan (Fig. 1).

Fig. 2. Titik balik. Lengan mekanis terpasang ke rail meja melalui konektor geser yang dirancang khusus, berbentuk karakter video game Pac-Man. Geser dapat menggeret dengan mudah di sekitar komponen yang terpasang karena lapisan elastomer di antara lapisan prepreg, yang melebar untuk mengunci tempat dan menyusut untuk memungkinkan gerakan saat udara dipompa ke dalam atau dikeluarkan dari rongga berongga. Pengembangan geser ini dianggap titik balik dalam desain sistem meja.

Menurut Wit-Rusiecki, meja itu sendiri cukup sederhana untuk dirancang selama persyaratan mekanis terpenuhi, karena beberapa meja medis komposit yang ada sudah ada di pasar untuk berfungsi sebagai dasar. Namun, untuk membangun sistem komposit semuanya, tim diharuskan merancang dan merakit serangkaian rail komposit kustom untuk kedua sisi permukaan meja, untuk mengganti rail logam umum, dan beberapa jenis sistem koneksi untuk peralatan medis yang dapat digantung selama prosedur.

Sebelum membangun prototipe, tim R&D menggambarkan puluhan ide untuk sistem koneksi yang berbeda, berdasarkan segalanya dari bentuk yang ditemukan di alam hingga geser pintu, dan menjalankan simulasi elemen hingga (FEM) untuk menyusulkan daftar menjadi tiga pilihan yang paling menjanjikan. Tim membuat cetakan dan prototipe fisik dari tiga opsi untuk pengujian untuk memverifikasi kapasitas beban.

Dua desain koneksi memasuki prototipe sistem akhir. Desain yang paling efektif dianggap "titik balik" dari seluruh proyek. Secara internal disebut desain "Pac-Man" karena bentuknya, komponen silinder berongga pas di antara dua strut komposit paralel yang menyusul dari ujung meja. Komponen silinder ini membentuk geser untuk menghubungkan lengan ortopedi yang dapat digerakkan dari ujung meja (Fig. 2).

Tantangan terbesar dari komponen geser ini adalah kemampuan dual-fungsi: Ini tidak hanya perlu dapat digerakkan untuk memungkinkan rotasi lengan, tetapi juga harus mengunci lengan setelah dipindahkan ke posisi yang diinginkan. Untuk mencapai ini, WIT-Composites mengembangkan strategi yang menggunakan pompa udara terkompresi jenis yang sudah terpasang pada banyak meja operasi. Mayoritas kulit luar komponen terbuat dari prepreg rigid; indenter Pac-Man di dalam silinder dibuat dengan lapisan prepeg tipis yang dibuat elastis dengan lapisan elastomer. Tabung yang terhubung ke pompa udara terkompresi memaksa udara di dalam rongga interior bagian, yang melebar bagian elastis kulit, mendorongnya terhadap lengan yang berinterlock dan mencegah gerakan. Saat udara dilepaskan dari rongga, dinding fleksibel menyusut, memungkinkan gerakan geser. "Bentuk akhir memenuhi parameter kekuatan yang diasumsikan dan dalam satu detik, menggunakan udara terkompresi, yang tersedia di setiap kamar operasi, pemasang operasi dapat dipasang di sisi rail atas meja," Soszyńska katanya.

Fig. 4. Koneksi komposit. Potongan lintang dari geser terinspirasi Pac-Man (1) menunjukkan bagaimana pas dengan instrumen medis dan lengan ortopedi komposit (2).

Menggunakan desain komposit fleksibel dan pompa udara yang sama, WIT-Composites juga mengembangkan mekanisme klem rail yang dapat dikunci untuk memungkinkan stabilitas instrumen medis di sisi meja (Fig. 3 dan gambar teknik).

"Keberagaman solusi ini ditandai oleh fakta bahwa dapat digunakan sebagai konektor untuk elemen tubular dan untuk pin geser yang sering digunakan dalam alat ortopedi selama bedah kaki, pelvis atau tulang punggung," Soszyńska katanya.

"Yang kami capai adalah bahwa sekarang tidak perlu lagi memindahkan pasien selama operasi," Wit-Rusiecki menambahkan. "Untuk proyek ini, kami harus menggunakan semua kemampuan kami, dalam desain bagian dan bahan, dan juga teknologi manufaktur."

Komersialisasi, pasar baru

Dengan desain yang berhasil, WIT-Composites sekarang bertujuan untuk bekerjasama dengan produsen peralatan medis untuk menyediakan komponen komposit untuk baris produk meja bedah. Soszyńska mengatakan bahwa perusahaan telah mulai mendemonstrasikan teknologi kepada beberapa perusahaan di Eropa dan Amerika Serikat melalui kantor WIT-Composites di Las Vegas, Nev., AS. Sayangnya, pandemi coronavirus telah menunda negosiasi dan kemampuan tim untuk bepergian dan mendemonstrasikan teknologi.

Sementara itu, perusahaan telah menggunakan inovasi desain yang diciptakan untuk proyek ini sebagai papan luncur untuk proyek lain, terutama desain geser "Pac-Man". Misalnya, WIT-Composites sedang mengembangkan tabung penyimpanan hidrogen 150-MPa (21.755 psi) untuk program Penyimpanan Hidrogen di Pusat Nasional Penelitian dan Pengembangan (Warsaw, Polonia), sebagai subkontraktor dari Institut Fisika Tekanan Tinggi di Akademi Ilmu Pengetahuan Polska (Warsaw). Desain bahan komposit fleksibel dan konektor geser yang dikembangkan untuk proyek meja bedah mengarah pada pengembangan solusi baru untuk pipa komposit serat karbon yang dilumatkan untuk digunakan di stasiun pengisian ulang hidrogen. "Ini adalah konstruksi yang benar-benar baru, sesuatu yang unik untuk pasar. Dan proyek ini lahir dari pekerjaan meja medis kami," Wit-Rusiecki katanya. Tujuan jangka panjang lain adalah mentransfer teknologi geser dari proyek ini ke komponen satelit dan pesawat antarik.