手術用ワークステーションに革命：新複合材テーブル設計が効率とX線透過性を向上

• オール複合材天板、サイドレール、オプションの手術用アームでX線透過領域を拡大。
• レールとヒンジ接続システム内の弾性複合セクションが空気ポンプシステムを可能にし、医療機器をテーブルに確実に固定。
• 技術は将来の複合材間接合技術への足がかりに。

カーボンファイバー複合材は手術台の表面製造によく使用されます。金属や他材料と異なり、カーボンファイバー複合材はX線透過性があり、患者のレントゲン撮影時に有用です。しかし、WIT-Composites（ポーランド・ルブリン）が見出したように、従来の診察台設計は必ずしも医療従事者のニーズに最適ではありません。

WIT-Compositesは、医療を含む様々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カーボンファイバー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Michael Wit-Rusiecki氏と彼のチームは、心臓手術、血管手術、神経外科、整形外科手術で複合材テーブルを使用する際に医療スタッフが直面する問題について、医療業界顧客から聞き始めました。これらの手術タイプは、手術中にX線撮影を必要とすることが多いと氏は説明します。

「様々な検査や医療サービスを実施する際の主要課題の一つは、複合材のX線透過性表面を持つ医療テーブルでも、器具をテーブルに取り付けるすべてのコネクタが金属製だということです」と氏。これは、X線透過性を必要とする特定の手順や検査で、医療スタッフが患者を手術中に数回移動・再配置し、X線非透過領域を避ける必要があることを意味します。

「ポーランドの医師たちとインタビューと市場調査を行い、この分野で新ソリューションの真のニーズがあるか確認し、多くを学びました」とWIT-CompositesのマネージングディレクターWeronika Soszyńska氏は付け加えます。例えば、麻酔科医から、患者を動かすたびにIVライン、電極、その他患者に接続された機器が外れる問題を聞いたそうです。「考えもしない問題がたくさんあり、医師たちは解決策が開発されれば非常に喜ぶだろうと言いました。」

欧州地域開発基金の支援を受け、Operational Program Smart Growth 2014-2020イニシアチブの下で、WIT-CompositesのR&D部門は今後2年間、レールと接続システムを含む完全複合材の医療テーブル設計に取り組みました。Wit-Rusiecki氏によると、予想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が材料革新を導く

図1. 荷重シミュレーション。 テーブル表面設計時、WIT-Compositesは材料たわみ（上画像）と重量分布（下画像）を負荷下でモデリングし、患者体重分布に合わせて必要な剛性と耐摩耗性を確保。写真提供：WIT-Composites（全画像）

「手術台の表面、サイドレール、ヒンジ要素、すべてを複合材で設計することを目指しました」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複合材で開発されました。これら各コンポーネントには独自の設計課題と機械的要求があり、2年間の試行錯誤プロセスとなりました。

「様々なR&Dプロジェクトを実施し、異なる材料組成、異なるサプライヤーからの異なる繊維、エラストマーとカーボンファイバー/エポキシプリプレグの異なる積層方法を試しました」とWit-Rusiecki氏。しかし、複合材積層板のクラック、異なるサプライヤー材料間の重量と材料特性差、そして最も困難だったのはWit-Rusiecki氏によると、テーブルの異なるセクションでの弾性特性と荷重要件のバランス調整だったと認めています。

設計はSolidWorks（Dassault Systèmes、マサチューセッツ州ウォルサム）、CATIA（Dassault）、NX（Siemens、テキサス州プラノ）などのプログラムで解析され、歪みと弾性などの特定パラメータでテストされました。反復的な物理サンプルは認定外部試験機関で強度試験され、摩擦学的表面試験（硬度と耐摩耗性）は社内設計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選択は試験結果に基づき、カーボンファイバー/エポキシプリプレグと、追加弾性のためのゴムエラストマー層の局所適用で行われました。Soszyńska氏によると、エラストマー層は可変ヤング率を持つ柔軟性と、急激な荷重変化への耐性を両立する複合材を生み出します。

フルサイズプロトタイプの各コンポーネントについて、積層カーボンファイバープリプレグとエラストマー材料シートを形状に切断し、WIT-Composites設計・製作の金型に配置、真空バッグでオートクレーブ硬化しました。

テーブル表面、レール、ヒンジの設計

テーブル表面の主な考慮事項は、適切なX線透過性、IECのEN 60601-2-46規格に基づく主要ポイントでの患者荷重耐性、ASTM規格の耐摩耗性と表面硬度。重量分布戦略に基づく負荷下での最大たわみは42.56ミリメートル未満に制限；テーブル天板耐荷重は225キログラム（496ポンド）。最大たわみは患者の胴体位置にあたるテーブル中央部で発生。これはテーブル内部コンポーネントの意図的な空洞により、必要なX線透過性を確保するためです（図1）。

図2. 転機。 機械アームが特別に設計されたヒンジコネクタでテーブルレールに取り付けられ、形状はビデオゲームキャラクター「パックマン」に似ています。ヒンジは、プリプレグ層間のエラストマー層により取り付けコンポーネント周りを容易にスライド可能。中空キャビティへの空気出し入れで膨張してロック、収縮して移動可能に。このヒンジ開発がテーブルシステム設計の転機と見なされました。

Wit-Rusiecki氏によると、機械的要求を満たせばテーブル自体は比較的シンプルに設計可能で、既存の複合材医療テーブルがベースラインとして市場に複数存在します。しかし、オール複合材システムを構築するには、テーブル表面両側の典型的な金属レールを置き換えるカスタマイズされた複合材レールセットと、手術中に医療機器を吊り下げる何らかの接続システムの設計・エンジニアリングが必要でした。

プロトタイプ構築前、R&Dチームは自然界の形状からドアヒンジまであらゆるものに基づく数十の異なる接続システムアイデアを描き、有限要素（FEM）シミュレーションで最も有望な3つに絞り込みました。チームは3つのオプションの金型と物理プロトタイプを製作し、耐荷重検証テストを実施。

2つの接続設計が最終システムプロトタイプに採用されました。最も効果的な設計はプロジェクト全体の「転機」と見なされました。内部では形状から「パックマン」設計と呼ばれ、中空円筒形コンポーネントがテーブル端から突出する2本の平行複合材ストラット間に適合。この円筒形コンポーネントがテーブル端から伸びる可動整形外科用アームを接続する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課題は二重機能性です：アームの回転を可能にする可動性だけでなく、希望位置に移動後、アームを固定するロック機能も必要。これを実現するため、WIT-Compositesは多くの手術台に既に装備されている圧縮空気ポンプを使用する戦略を開発。コンポーネント外皮の大部分は剛性プリプレグで構成；パックマン状の窪み部分はエラストマー層で弾性を持たせた薄いプリプレグ層で構成。圧縮空気ポンプに接続されたチューブが部品内部キャビティに空気を送り込み、弾性セクションを膨張させてインターロックアームに押し付け動きを防止。キャビティから空気を放出すると柔軟壁が収縮し、ヒンジの移動を可能にします。「想定強度パラメータを満たし、全手術室にある圧縮空気を使用して1秒以内に、手術用アタッチメントをテーブル天板サイドレールにマウントできます」とSoszyńska氏。

図4. 複合材接続。 パックマン着想ヒンジ（1）の断面図、医療機器と複合材整形外科アーム（2）との組み合わせを示す。

同じ柔軟複合材と空気ポンプ設計で、WIT-Compositesはテーブル側面の医療機器安定化用ロック可能レールクランプ機構も開発しました（図3と図面）。

「このソリューションの汎用性は、整形外科アタッチメントで脚、骨盤、脊椎手術時によく使用されるチューブラー要素とヒンジピンの両方のコネクタとして使用できる点に特徴があります」とSoszyńska氏。

「患者を手術中に動かす必要がなくなったことを達成しました」とWit-Rusiecki氏は付け加えます。「このプロジェクトでは、部品・材料設計、製造技術の全能力を駆使しました。」

商業化、新市場

成功した設計を得て、WIT-Compositesは今後、医療機器メーカーと提携し、手術台製品ライン向け複合部品を供給することを目指しています。Soszyńska氏によると、同社はWIT-Compositesのラスベガスオフィスを通じて、欧米の複数企業に技術デモを開始済み。しかし残念ながら、コロナ禍で交渉とチームの渡航・デモが遅れています。

その間、同社はこのプロジェクトで生み出した設計革新を他プロジェクトの足がかりとして活用しています。特に「パックマン」ヒンジ設計。例えば、WIT-Compositesはポーランド国立研究開発センター（ワルシャワ）の水素貯蔵プログラム向け150MPa（21,755 psi）水素貯蔵容器を開発中で、ポーランド科学アカデミー高圧物理研究所（ワルシャワ）の下請けとして参画。手術台プロジェクトで開発された柔軟複合材とヒンジコネクタ設計が、水素ステーション用フィラメントワインディングカーボンファイバー複合パイプの新ソリューション開発につながりました。「これは完全に新しい構造で、市場にユニークなものです。このプロジェクトは医療テーブル作業から生まれました」とWit-Rusiecki氏。もう一つの長期目標は、このプロジェクトのヒンジ技術を宇宙船・衛星コンポーネントに転用することです。