設計の革新により、複合医療テーブルの効率が向上します

• オールコンポジットの卓上、サイドレール、オプションの外科用アームにより、X線透過性の領域が拡大します。
• レールおよびヒンジ接続システム内の弾性複合セクションにより、医療機器をテーブルにしっかりと取り付けるためのエアポンプシステムが可能になります。
• テクノロジーは、将来のコンポジットオンコンポジットジョイントテクノロジーの出発点として機能します。

炭素繊維複合材料は、手術台の表面を製造するためによく使用されます。金属や他の材料とは異なり、炭素繊維複合材料はX線透過性であり、患者の放射線画像を撮影するときに役立ちます。ただし、WIT-Composites（ポーランド、ルブリン）が発見したように、従来の診察台のデザインが医療従事者のニーズに常に最も効果的であるとは限りません。

WIT-Compositesは、ヘルスケアを含むさまざまな市場の顧客向けに、高度に設計されたオートクレーブ硬化炭素繊維複合部品を専門としています。 2017年、WIT-CompositesのR＆DディレクターであるMichael Wit-Rusieckiと彼のチームは、複合テーブルを使用して心臓外科、血管外科、脳神経外科、整形外科を行う際に医療スタッフが直面する問題について、医療業界の顧客から聞き始めました。これらのタイプの手術では、手術中にX線画像が必要になることが多いと彼は説明します。

「私たちが学んだことは、さまざまなテストや医療サービスを実行する際の主要な課題の1つは、複合X線透過性の表面を備えた医療用​​テーブルであっても、器具がテーブルに取り付けられているすべてのコネクタが金属製です」と彼は言います。これは、X線透過性を必要とする特定の手順またはテストでは、X線透過性がないテーブルの領域を回避するために、医療スタッフが手順中に患者を数回移動または再配置する必要がある場合があることを意味します。

WIT-CompositesのマネージングディレクターであるWeronikaSoszyńskaは、次のように述べています。「この分野で新しいソリューションが本当に必要かどうかを確認するために、ポーランドの医師にインタビューと市場調査を実施しました。たとえば、麻酔科医は、患者が動き回らなければならないときに、患者に接続されているIV、電極、およびその他の機器のどれだけが外れる可能性があるかについて彼らに話したと彼女は言います。 「あなたが考えていない問題がたくさんあります。私たちが話をした医師たちは、解決策を開発できればとても幸せだと言っていました」と彼女は言います。

WIT-CompositesのR＆D部門は、Operational Program Smart Growth 2014-2020イニシアチブの下で、ヨーロッパ地域開発基金からの財政的支援を受けて、レールや接​​続システムを含む完全に複合的な医療用テーブルの設計に次の2年間を費やしました。 Wit-Rusieckiによると、それは期待したほど単純なプロセスではありませんでした。

複雑なコンポーネントは材料の革新につながります

図。 1.負荷のシミュレーション。 テーブルの表面を設計する際、WIT-Compositesは、荷重下での材料のたわみ（上の画像）と重量分布（下の画像）をモデル化して、患者の体重分布に合わせて表面に必要な剛性と耐摩耗性を確保しました。写真クレジット、すべての画像：WIT-コンポジット

「私たちはシステム全体の設計に着手しました。手術台の表面、側面の手すり、ヒンジ要素はすべて複合材料でできています」とWit-Rusiecki氏は説明します。手術中に使用するオプションの整形外科用アームも開発されました。これもコンポジットで作られています。これらの各コンポーネントには、独自の設計上の課題と機械的要件があり、2年間の試行錯誤のプロセスになりました。

「私たちはさまざまな研究開発プロジェクトを実施し、さまざまな材料組成を調べ、さまざまなサプライヤーのさまざまな繊維を試し、エラストマーと炭素繊維/エポキシプリプレグをさまざまな方法で重ねました」とWit-Rusiecki氏は言います。しかし、彼は、チームが最初に、複合ラミネートの亀裂、異なるサプライヤーの材料間の重量と材料特性の違い、そして何よりも難しい、弾性のバランスを取るのが難しいなど、材料に関するいくつかの問題に遭遇したことを認めています表のさまざまなセクションの負荷要件に対するプロパティ。

最初に、SolidWorks（DassaultSystèmes、マサチューセッツ州ウォルサム、米国）、CATIA（Dassault）、NX（Siemens、Plano、Texas、米国）などのプログラムを介して設計を分析し、ひずみや弾性などの特定のパラメーターをテストしました。反復的な物理サンプルは、認定された外部の研究所で強度テストが行​​われ、硬度と耐摩耗性のトライボロジー表面テストは、社内で設計されたテストスタンドで実施されました。

個々のコンポーネントの材料の選択は、炭素繊維/エポキシプリプレグを含むテスト結果に基づいて行われ、弾力性を高めるために、ゴムエラストマー層を局所的に塗布しました。 Soszyńskaによると、エラストマー層は、柔軟性があり（ヤン​​グ率が可変）、突然の荷重変化に耐える複合材料を作成します。

実物大のプロトタイプの各コンポーネントについて、層状炭素繊維プリプレグとエラストマー材料のシートをカットして形を整え、WIT-Compositesによって設計および製造された型に入れ、真空バッグに入れ、オートクレーブで硬化させました。

テーブルの表面、レール、ヒンジの設計

テーブルの表面について、主な考慮事項には、適切なX線透過性、IECのEN 60601-2-46規格に準拠した重要なポイントでの患者の負荷に耐える強度、および耐摩耗性と表面硬度に関するASTM規格が含まれます。重量配分戦略による荷重下での最大たわみは、42.56ミリメートル未満に制限されていました。卓上の耐荷重は225キログラム（496ポンド）でした。卓上での最大のたわみは、患者の胴体があるテーブルの中央部分で発生します。これは、必要なX線の半透明性を確保するために、テーブルの内部コンポーネントに設計されたボイドが原因でした（図1）。

図。 2.ターニングポイント。 メカニカルアームは、ビデオゲームのキャラクターであるパックマンのような形をした特別に設計されたヒンジ付きコネクタを介してテーブルレールに取り付けられます。プリプレグ層の間にエラストマーの層があるため、ヒンジは取り付けられたコンポーネントの周りを簡単にスライドできます。プリプレグは膨張して所定の位置に固定され、収縮して空気が中空の空洞に送り込まれたり、空洞から除去されたりするときに動きます。このヒンジの開発は、テーブルシステムの設計におけるターニングポイントと見なされていました。

Wit-Rusieckiによると、ベースラインとして機能する既存の複合医療用テーブルがすでにいくつか市場に出回っているため、テーブル自体は、機械的要件が満たされている限り、設計するのに十分シンプルでした。ただし、全複合システムを構築するには、チームが一連の を設計および設計する必要がありました。 テーブル表面の両側にカスタマイズされた複合レール、一般的な金属レールの代わり、および医療機器が手順中にぶら下がるある種の接続システム。

プロトタイプを作成する前に、R＆Dチームは、自然界に見られる形状からドアヒンジまで、さまざまな接続システムについて数十のアイデアを作成し、有限要素（FEM）シミュレーションを実行して、リストを最も有望な3つの選択肢に絞り込みました。チームは、負荷容量を検証するためのテスト用に、3つのオプションの金型と物理的なプロトタイプを作成しました。

2つの接続設計により、最終的なシステムプロトタイプが作成されました。最も効果的な設計は、プロジェクト全体の「ターニングポイント」と見なされていました。その形状から内部的に「パックマン」デザインと呼ばれ、中空の円筒形のコンポーネントが、テーブルの端から突き出た2つの平行な複合支柱の間に収まります。この円筒形のコンポーネントは、可動式整形外科用アームをテーブルの端から接続するためのヒンジを形成します（図2）。

このヒンジコンポーネントの最大の課題は、その二重機能機能です。アームを回転させるために移動可能であるだけでなく、目的の位置に移動した後、アームを所定の位置にロックする必要があります。これを達成するために、WIT-Compositesは、多くの手術台にすでに設置されている種類の圧縮空気ポンプを使用する戦略を開発しました。コンポーネントの外板の大部分は、剛性のあるプリプレグでできています。シリンダー内のパックマンのようなくぼみは、エラストマーの層で弾力性のある薄いプリプレグ層で作られています。圧縮空気ポンプに取り付けられたチューブが部品の内部空洞内に空気を送り込み、皮膚の弾性部分を拡張して、インターロッキングアームに押し付け、動きを防ぎます。空気が空洞から放出されると、柔軟な壁が収縮し、ヒンジの動きが可能になります。 「最終的な形状は想定される強度パラメータを満たし、1秒以内に、すべての手術室で利用できる圧縮空気を使用して、手術用アタッチメントを卓上のサイドレールに取り付けることができます」とSoszyńska氏は言います。

図。 4.複合接続。 パックマンに着想を得たヒンジのこの断面図（1）は、医療器具や複合整形外科用アーム（2）とどのように適合するかを示しています。

これと同じ柔軟なコンポジットとエアポンプの設計を使用して、WIT-Compositesは、テーブルの側面に沿った医療機器の安定性を可能にするロック可能なレールクランプメカニズムも開発しました（図3および図）。

「このソリューションの汎用性は、管状要素のコネクタとして、また脚、骨盤、または脊椎の手術中に整形外科用アタッチメントでよく使用されるヒンジピンのコネクタとして使用できるという事実によって特徴付けられます」とSoszyńska氏は言います。

「私たちが達成したことは、手術中に患者を動かす必要がなくなったことです」とWit-Rusiecki氏は付け加えます。 「このプロジェクトでは、部品と材料の設計、および製造技術のすべての機能を使用する必要がありました。」

商業化、新しい市場

設計が成功したWIT-Compositesは、医療機器メーカーと提携して、手術台製品ラインに複合コンポーネントを供給することを目指しています。 Soszyńskaは、同社がWIT-Compositesのネバダ州ラスベガスのオフィスを通じて、ヨーロッパと米国のいくつかの企業にこの技術のデモンストレーションを開始したと述べています。しかし残念ながら、コロナウイルスの大流行により交渉が遅れ、チームがテクノロジーを旅して実演する能力が遅れています。

その間、同社はこのプロジェクトのために作成した革新的なデザインを、他のプロジェクト、特に「パックマン」ヒンジデザインの出発点として使用しました。たとえば、WIT-Compositesは、国立研究開発センター（ポーランド、ワルシャワ）の水素貯蔵プログラム用に150 MPa（21,755 psi）の水素貯蔵容器を開発しており、ポーランド科学アカデミー（ワルシャワ）。手術台プロジェクト用に開発された柔軟な複合材料とヒンジコネクタの設計により、水素燃料補給ステーションで使用されるフィラメントワインド炭素繊維複合パイプの新しいソリューションが開発されました。市場。そして、このプロジェクトは私たちの医療テーブルワークから生まれました」とWit-Rusieckiは言います。もう1つの長期的な目標は、ヒンジ技術をこのプロジェクトから宇宙船や衛星コンポーネントに移行することです。