Revolutionierung chirurgischer Arbeitsplätze: Neues Composite-Tischdesign steigert Effizienz und Röntgentransparenz

• Vollcomposite Tischplatte, Seitenschienen und optionaler chirurgischer Arm vergrößern Bereich der Röntgentransparenz.
• Elastische Composite-Bereiche in Schienen- und Scharnierverbindungen ermöglichen Luftpumpsystem zur sicheren Befestigung medizinischer Geräte am Tisch.
• Technologie als Sprungbrett für zukünftige Composite-auf-Composite-Verbindungstechnologien.

Carbonfaser-Composites werden oft zur Fertigung von OP-Tischoberflächen verwendet. Im Gegensatz zu Metall oder anderen Materialien sind Carbonfaser-Composites röntgentransparent, eine Eigenschaft, die bei radiografischen Aufnahmen von Patienten hilfreich ist. Wie WIT-Composites (Lublin, Polen) jedoch feststellte, ist das traditionelle Untersuchungstischdesign nicht immer am effektivsten für die Bedürfnisse des medizinischen Personals.

Problemanalyse und Marktrecherche

WIT-Composites spezialisiert sich auf hochentwickelte, autoklavgehärtete Carbonfaser-Composite-Komponenten für Kunden in verschiedenen Märkten, einschließlich Healthcare. 2017 begannen Michael Wit-Rusiecki, F&E-Direktor bei WIT-Composites, und sein Team, von Medizinindustriekunden über Probleme zu hören, die medizinisches Personal bei Herzchirurgie, Gefäßchirurgie, Neurochirurgie und Orthopädie an Composite-Tischen erlebt. Diese Operationen erfordern oft Röntgenbildgebung während des Eingriffs.

„Wir erfuhren, dass eine der größten Herausforderungen bei der Durchführung verschiedener Tests und medizinischer Dienste, selbst an medizinischen Tischen mit compositen, röntgentransparenten Oberflächen, darin besteht, dass alle Verbinder, an denen Instrumente am Tisch befestigt werden, aus Metall sind“, erklärt er. Das bedeutet, dass für bestimmte Verfahren oder Tests, die Röntgentransparenz erfordern, medizinisches Personal Patienten mehrmals während des Eingriffs bewegen oder repositionieren muss, um Bereiche des Tisches zu vermeiden, die nicht röntgentransparent sind.

„Wir führten Interviews und Marktforschung mit Ärzten in Polen durch, um sicherzustellen, dass es einen echten Bedarf für eine neue Lösung in diesem Bereich gibt, und lernten viel“, fügt Weronika Soszyńska, Geschäftsführerin von WIT-Composites, hinzu. Zum Beispiel berichteten Anästhesisten, wie viele der Infusionen, Elektroden und anderen an Patienten angeschlossenen Geräte sich lösen können, wenn Patienten bewegt werden müssen. „Es gibt viele Probleme, an die man nicht denkt, und die Ärzte sagten, sie wären sehr froh, wenn eine Lösung entwickelt werden könnte.“

Mit finanzieller Unterstützung des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung im Rahmen der Operationellen Programme Intelligentes Wachstum 2014-2020 verbrachte WIT-Composites' F&E-Abteilung die nächsten zwei Jahre an einem medizinischen Tischdesign, das vollständig aus Composite besteht, einschließlich Schienen und Verbindungssystemen. Laut Wit-Rusiecki war der Prozess nicht so einfach wie erwartet.

Komplexe Komponenten führen zu Materialinnovationen

Abb. 1. Lastsimulation. Beim Design der Tischoberfläche modellierte WIT-Composites Materialbiegung unter Last (oberes Bild) und Gewichtsverteilung (unteres Bild), um sicherzustellen, dass die Oberfläche die erforderliche Steifigkeit und Verschleißfestigkeit gemäß der Patienten-Gewichtsverteilung aufweist. Foto: WIT-Composites

„Wir machten uns daran, ein gesamtes System zu entwerfen: die Oberfläche des OP-Tischs, die seitliche Reling und ein Scharnierelement, alles aus Composites“, erklärt Wit-Rusiecki. Ein optionaler orthopädischer Arm für Operationen, ebenfalls aus Composites, wurde ebenfalls entwickelt. Jede dieser Komponenten brachte eigene Designherausforderungen und mechanische Anforderungen mit sich und führte zu einem zweijährigen Trial-and-Error-Prozess.

„Wir führten verschiedene F&E-Projekte durch, untersuchten verschiedene Materialzusammensetzungen, testeten verschiedene Fasern von verschiedenen Lieferanten und schichteten Elastomere und Carbonfaser/Epoxid-Prepreg auf unterschiedliche Weise“, sagt Wit-Rusiecki. Allerdings gab er zu, dass das Team zunächst auf mehrere Materialprobleme stieß, einschließlich Rissen in den Composite-Laminaten, Gewichts- und Materialeigenschaftsunterschieden zwischen Materialien verschiedener Lieferanten und – am herausforderndsten laut Wit-Rusiecki – Schwierigkeiten, elastische Eigenschaften gegen Lastanforderungen in verschiedenen Tischabschnitten auszubalancieren.

Designs wurden zunächst über Programme wie SolidWorks (Dassault Systèmes, Waltham, Mass., USA), CATIA (Dassault) und NX (Siemens, Plano, Texas, USA) analysiert und auf spezifische Parameter wie Dehnung und Elastizität getestet. Iterative physische Proben wurden in einem zertifizierten externen Labor auf Festigkeit getestet, und tribologische Oberflächentests für Härte und Verschleißfestigkeit wurden intern am firmeneigenen Prüfstand durchgeführt.

Materialentscheidungen für einzelne Komponenten basierten auf Testergebnissen, einschließlich Carbonfaser/Epoxid-Prepreg und für zusätzliche Elastizität lokaler Auftrag von Gummi-Elastomerschichten. Laut Soszyńska schafft die Elastomerschicht ein Composite, das sowohl flexibel (mit variablem Elastizitätsmodul) als auch beständig gegen plötzliche Laständerungen ist.

Für jede Komponente des Vollprototyps wurden Lagen aus Carbonfaser-Prepreg und Elastomermaterialien zugeschnitten, in von WIT-Composites entworfene und gebaute Formen gelegt, vakuumbeutelt und im Autoklav gehärtet.

Design der Tischoberfläche, Schienen und Scharniere

Für die Tischoberfläche umfassten Hauptüberlegungen ausreichende Röntgentransparenz, Festigkeit zur Aufnahme von Patientenlasten an Schlüsselpunkten gemäß IEC EN 60601-2-46 Standards und ASTM Standards für Verschleißfestigkeit und Oberflächenhärte. Maximale Durchbiegung unter Last gemäß Gewichtsverteilungsstrategie wurde auf weniger als 42,56 mm begrenzt; Tragfähigkeit der Tischplatte 225 kg (496 lbs). Maximale Durchbiegung tritt im zentralen Tischbereich auf, wo der Patiententorso liegt. Dies wurde durch einen entworfenen Hohlraum in den inneren Tischkomponenten verursacht, um erforderliche Röntgentransluzenz zu gewährleisten (Abb. 1).

Abb. 2. Ein Wendepunkt. Ein mechanischer Arm wird über speziell entworfene Scharnierverbinder an den Tischschienen befestigt, geformt wie der Videospielcharakter Pac-Man. Die Scharniere gleiten leicht um angebrachte Komponenten dank Elastomerschichten zwischen den Prepreg-Lagen, die sich ausdehnen, um zu verriegeln, und sich zusammenziehen, um Bewegung zu ermöglichen, wenn Luft in einen Hohlraum gepumpt oder entzogen wird. Die Entwicklung dieses Scharniers wurde als Wendepunkt im Design des Tischsystems betrachtet.

Laut Wit-Rusiecki war der Tisch selbst einfach genug zu designen, solange die mechanischen Anforderungen erfüllt waren, da mehrere existierende Composite-Medizintische bereits als Baseline dienen. Um jedoch ein All-Composite-System zu bauen, musste das Team ein Set maßgeschneiderter Composite-Schienen für beide Seiten der Tischoberfläche entwerfen und konstruieren, um typische Metallschienen zu ersetzen, und ein Verbindungssystem für medizinische Geräte, die während Eingriffen daran hängen.

Vor Prototypenbau skizzierte das F&E-Team mehrere Dutzend Ideen für verschiedene Verbindungssysteme, basierend auf Formen aus der Natur bis zu Türscharnieren, und führte FEM-Simulationen durch, um die Liste auf die drei vielversprechendsten Optionen einzugrenzen. Das Team baute Formen und physische Prototypen der drei Optionen für Tests zur Verifizierung der Tragfähigkeit.

Zwei Verbindungsdesigns schafften es auf den finalen Systemprototyp. Das effektivste Design galt als „Wendepunkt“ des gesamten Projekts. Intern als „Pac-Man“-Design bezeichnet wegen seiner Form, passt ein hohler zylindrischer Bestandteil zwischen zwei parallele Composite-Struts, die vom Tischende ausgehen. Dieser zylindrische Bestandteil bildet ein Scharnier, um einen beweglichen orthopädischen Arm am Tischende zu verbinden (Abb. 2).

Die größte Herausforderung dieses Scharnierbauteils ist seine Dual-Funktionsfähigkeit: Es muss nicht nur beweglich sein, um Rotation des Arms zu ermöglichen, sondern auch den Arm nach Bewegung in die gewünschte Position verriegeln. Um dies zu erreichen, entwickelte WIT-Composites eine Strategie, die eine Druckluftpumpe nutzt, wie sie auf vielen OP-Tischen bereits installiert ist. Der Großteil der Außenhaut des Bauteils besteht aus steifem Prepreg; die Pac-Man-artige Einbuchtung im Zylinder besteht aus einer dünnen Prepreg-Lage, die durch eine Elastomerschicht elastisch gemacht wird. Ein an eine Druckluftpumpe angeschlossener Schlauch presst Luft in den inneren Hohlraum des Bauteils, wodurch der elastische Abschnitt der Haut expandiert, gegen den verriegelnden Arm drückt und Bewegung verhindert. Wird die Luft aus dem Hohlraum abgelassen, zieht sich die flexible Wand zusammen und ermöglicht Bewegung des Scharniers. „Die finale Form erfüllt die angenommenen Festigkeitsparameter und innerhalb einer Sekunde, mittels Druckluft, die in jedem OP vorhanden ist, kann der Operationsaufsatz an der Seitenschiene der Tischplatte montiert werden“, sagt Soszyńska.

Abb. 4. Composite-Verbindungen. Dieser Querschnitt des Pac-Man-inspirierten Scharniers (1) zeigt, wie es mit medizinischen Instrumenten und Composite-orthopädischen Armen (2) zusammenpasst.

Mit demselben flexiblen Composite- und Luftpumpen-Design entwickelte WIT-Composites auch einen verriegelbaren Schienenklemmmechanismus zur Stabilisierung medizinischer Instrumente an den Tischseiten (Abb. 3 und Zeichnung).

„Die Vielseitigkeit dieser Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass sie als Verbinder für röhrenförmige Elemente und für Scharnierstifte, oft verwendet in orthopädischen Aufsätzen bei Bein-, Becken- oder Wirbelsäulenchirurgie, genutzt werden kann“, sagt Soszyńska.

„Was wir erreicht haben, ist, dass es jetzt nicht mehr nötig ist, Patienten während der Operation zu bewegen“, fügt Wit-Rusiecki hinzu. „Für dieses Projekt mussten wir all unsere Fähigkeiten einsetzen, in Teil- und Materialdesign sowie Fertigungstechnologie.“

Kommerzialisierung, neue Märkte

Mit einem erfolgreichen Design strebt WIT-Composites nun eine Partnerschaft mit einem Medizinproduktehersteller an, um die Composite-Komponenten für eine OP-Tisch-Produktlinie zu liefern. Soszyńska sagt, das Unternehmen habe begonnen, die Technologie mehreren Unternehmen in Europa und den USA über das WIT-Composites-Büro in Las Vegas, Nevada, zu demonstrieren. Leider habe die Coronavirus-Pandemie Verhandlungen verzögert und die Reisemöglichkeiten des Teams zur Demonstration der Technologie eingeschränkt.

In der Zwischenzeit nutzte das Unternehmen die Designinnovationen dieses Projekts als Sprungbrett für andere Projekte, besonders das „Pac-Man“-Scharniere-Design. Zum Beispiel entwickelt WIT-Composites ein 150-MPa (21.755 psi) Wasserstoffspeichergefäß für das Wasserstoffspeicherprogramm am Nationalen Zentrum für Forschung und Entwicklung (Warschau, Polen), als Subunternehmer des Instituts für Hochdruckphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (Warschau). Das flexible Composite-Material und Scharnierverbindungsdesign des chirurgischen Tischprojekts führte zur Entwicklung einer neuen Lösung für filamentgewickelte Carbonfaser-Composite-Rohre für Wasserstofftankstellen. „Das ist eine völlig neue Konstruktion, etwas Einzigartiges am Markt. Und dieses Projekt wurde aus unserer Medizintisch-Arbeit geboren“, sagt Wit-Rusiecki. Ein weiteres langfristiges Ziel ist der Transfer der Scharniertechnologie aus diesem Projekt auf Raumfahrt- und Satellitenkomponenten.