Revolucionando puestos de trabajo quirúrgicos: Nuevo diseño de mesa compuesta aumenta eficiencia y transparencia a rayos X

• Tablero, rieles laterales y brazo quirúrgico opcional totalmente compuestos amplían área de transparencia a rayos X.
• Secciones compuestas elásticas en sistemas de conexión de riel y bisagra permiten sistema de bombeo de aire para fijar equipamiento médico a la mesa de forma segura.
• La tecnología sirve como trampolín para futuras tecnologías de uniones compuesto-sobre-compuesto.

Los compuestos de fibra de carbono se usan a menudo para fabricar las superficies de mesas quirúrgicas. A diferencia del metal u otros materiales, los compuestos de fibra de carbono son transparentes a rayos X, una propiedad útil al tomar imágenes radiográficas de pacientes. Sin embargo, como encontró WIT-Composites (Lublin, Polonia), el diseño tradicional de mesa de exploración no siempre es el más efectivo para las necesidades de los trabajadores médicos.

Problemas con mesas tradicionales

WIT-Composites se especializa en componentes compuestos de fibra de carbono de alta ingeniería, curados en autoclave, para clientes en varios mercados, incluyendo salud. En 2017, Michael Wit-Rusiecki, director de I+D en WIT-Composites, y su equipo empezaron a oír de clientes de la industria médica sobre problemas que el personal médico encuentra al realizar cirugía cardíaca, vascular, neurocirugía y cirugías ortopédicas usando mesas compuestas. Estos tipos de operaciones, explica, a menudo requieren imágenes de rayos X durante el procedimiento.

"Lo que aprendimos es que uno de los mayores retos al realizar diversas pruebas y servicios médicos, incluso en mesas médicas con superficies compuestas transparentes a rayos X, es que todos los conectores donde se fijan los instrumentos a la mesa son de metal", dice. Esto significa que para ciertos procedimientos o pruebas que requieren transparencia a rayos X, el personal médico puede necesitar mover o reposicionar al paciente varias veces durante el procedimiento para evitar áreas de la mesa que no son transparentes a rayos X.

"Realizamos entrevistas e investigación de mercado con médicos en Polonia para asegurar que realmente hay una necesidad real de una nueva solución en esta área, y aprendimos mucho", añade Weronika Soszyńska, directora gerente de WIT-Composites. Por ejemplo, dice que los anestesiólogos les contaron cuántos de los sueros, electrodos y otros equipos conectados a los pacientes pueden desplazarse cuando los pacientes tienen que ser movidos. "Hay muchos problemas en los que no piensas, y los médicos con los que hablamos dijeron que estarían muy contentos si se pudiera desarrollar una solución", dice.

Componentes complejos llevan a innovaciones en materiales

Con apoyo financiero del Fondo Europeo de Desarrollo Regional bajo el Programa Operativo Crecimiento Inteligente 2014-2020, el departamento de I+D de WIT-Composites pasó los siguientes dos años trabajando en un diseño de mesa médica que es completamente compuesto, incluyendo rieles y sistemas de conexión. Según Wit-Rusiecki, no fue un proceso tan simple como se esperaba.

Fig. 1. Simulando cargas. Al diseñar la superficie de la mesa, WIT-Composites modeló la deflexión del material bajo carga (imagen superior) y distribución de peso (imagen inferior) para asegurar que la superficie tuviera la rigidez y resistencia al desgaste requeridas alineadas con la distribución de peso del paciente. Crédito foto, todas las imágenes: WIT-Composites.

"Nos propusimos diseñar un sistema completo: la superficie de la mesa de operaciones, el riel lateral y un elemento de bisagra, todos hechos de compuestos", explica Wit-Rusiecki. Un brazo ortopédico opcional para usar durante operaciones, también hecho de compuestos, también se desarrolló. Cada uno de estos componentes vino con sus propios retos de diseño y requisitos mecánicos, y resultó en un proceso de prueba y error de dos años.

"Llevamos a cabo varios proyectos de I+D, mirando diferentes composiciones de materiales, probando diferentes fibras de diferentes proveedores, y estratificando elastómeros y preimpregnado de fibra de carbono/epoxi de diferentes maneras", dice Wit-Rusiecki. Sin embargo, admite que el equipo inicialmente se topó con varios problemas con los materiales, incluyendo grietas en los laminados compuestos, diferencias de peso y propiedades de materiales entre proveedores, y —lo más desafiante de todo, según Wit-Rusiecki— dificultad para equilibrar propiedades elásticas contra requisitos de carga en diferentes secciones de la mesa.

Los diseños se analizaron primero mediante programas como SolidWorks (Dassault Systèmes, Waltham, Mass., EE. UU.), CATIA (Dassault) y NX (Siemens, Plano, Texas, EE. UU.) y se probaron para parámetros específicos como deformación y elasticidad. Muestras físicas iterativas se probaron de resistencia en un laboratorio externo certificado, y pruebas tribológicas de superficie para dureza y resistencia al desgaste se realizaron internamente en el banco de pruebas diseñado internamente por la empresa.

Las elecciones de materiales para componentes individuales se basaron en resultados de pruebas, incluyendo preimpregnado de fibra de carbono/epoxi y, para elasticidad adicional, aplicación local de capas de elastómero de caucho. Según Soszyńska, la capa de elastómero crea un compuesto que es tanto flexible (con módulo de Young variable) como resistente a cambios bruscos de carga.

Para cada componente del prototipo a escala real, láminas de preimpregnado de fibra de carbono estratificado y materiales elastómeros se cortaron a forma, colocaron en moldes diseñados y construidos por WIT-Composites, se embolsaron al vacío y curaron en autoclave.

Diseño de la superficie, rieles y bisagras

Para la superficie de la mesa, consideraciones principales incluyeron adecuada transparencia a rayos X, resistencia para soportar cargas de pacientes en puntos clave según estándares IEC EN 60601-2-46, y estándares ASTM para resistencia al desgaste y dureza superficial. La deflexión máxima bajo carga según la estrategia de distribución de peso se limitó a menos de 42,56 milímetros; capacidad de carga del tablero fue 225 kilogramos (496 libras). La deflexión máxima en el tablero ocurre en la parte central, donde estaría el torso de un paciente. Esto fue causado por un hueco diseñado en los componentes interiores de la mesa, para asegurar la translucidez a rayos X requerida (Fig. 1).

Fig. 2. Un punto de inflexión. Un brazo mecánico se une a los rieles de la mesa mediante conectores de bisagra especialmente diseñados, con forma del personaje de videojuego Pac-Man. Las bisagras pueden deslizarse fácilmente alrededor de componentes adjuntos debido a capas de elastómeros entre capas de preimpregnado, que se expanden para bloquear en lugar y contraen para permitir movimiento al bombear aire dentro o fuera de una cavidad hueca. El desarrollo de esta bisagra se consideró el punto de inflexión en el diseño del sistema de mesa.

Según Wit-Rusiecki, la mesa en sí fue bastante simple de diseñar mientras se lograran los requisitos mecánicos, ya que varias mesas médicas compuestas existentes ya están en el mercado como referencia. Para construir un sistema todo-compuesto, sin embargo, requirió al equipo diseñar e ingeniar un conjunto de rieles compuestos personalizados para cada lado de la superficie de la mesa, para reemplazar rieles metálicos típicos, y algún tipo de sistema de conexión para que el equipamiento médico cuelgue durante procedimientos.

Antes de construir un prototipo, el equipo de I+D dibujó varias docenas de ideas para diferentes sistemas de conexión, basados en todo, desde formas encontradas en la naturaleza hasta bisagras de puertas, y realizó simulaciones de elementos finitos (FEM) para reducir la lista a las tres opciones más prometedoras. El equipo construyó moldes y prototipos físicos de las tres opciones para probar y verificar capacidad de carga.

Dos diseños de conexión llegaron al prototipo final del sistema. El diseño más efectivo fue considerado el "punto de inflexión" de todo el proyecto. Internamente referido como el diseño "Pac-Man" por su forma, un componente cilíndrico hueco encaja entre dos puntales compuestos paralelos que sobresalen del extremo de la mesa. Este componente cilíndrico forma una bisagra para conectar un brazo ortopédico móvil fuera del extremo de la mesa (Fig. 2).

El mayor reto de este componente de bisagra es su capacidad de doble función: No solo necesita ser móvil para permitir rotación del brazo, sino que también debe bloquear el brazo en su lugar después de que se haya movido a la posición deseada. Para lograr esto, WIT-Composites desarrolló una estrategia que usa una bomba de aire comprimido del tipo ya instalado en muchas mesas de operaciones. La mayor parte de la piel exterior del componente está hecha de preimpregnado rígido; la muesca tipo Pac-Man dentro del cilindro está hecha con una capa delgada de preimpregnado hecha elástica con una capa de elastómero. Un tubo conectado a una bomba de aire comprimido fuerza aire dentro de la cavidad interior de la pieza, que expande la sección elástica de la piel, empujándola contra el brazo entrelazado y previniendo movimiento. Cuando el aire se libera de la cavidad, la pared flexible se contrae, permitiendo el movimiento de la bisagra. "La forma final cumple los parámetros de resistencia asumidos y en un segundo, usando aire comprimido, que está disponible en cada quirófano, el accesorio de operación puede montarse en el riel lateral del tablero", dice Soszyńska.

Fig. 4. Conexiones compuestas. Esta sección transversal de la bisagra inspirada en Pac-Man (1) muestra cómo encaja junto con instrumentos médicos y brazos ortopédicos compuestos (2).

Usando este mismo diseño de compuesto flexible y bomba de aire, WIT-Composites también desarrolló un mecanismo de sujeción de riel bloqueable para permitir estabilidad de instrumentos médicos a lo largo de los lados de la mesa (Fig. 3 y dibujo).

"La versatilidad de esta solución se caracteriza por el hecho de que puede usarse como conector para elementos tubulares y para pasadores de bisagra a menudo usados en accesorios ortopédicos durante cirugía de pierna, pelvis o columna", dice Soszyńska.

"Lo que hemos logrado es que ahora no hay necesidad de mover a los pacientes durante la operación", añade Wit-Rusiecki. "Para este proyecto, tuvimos que usar todas nuestras capacidades, en diseño de pieza y material, y también tecnología de fabricación."

Comercialización, nuevos mercados

Con un diseño exitoso en marcha, WIT-Composites ahora busca asociarse con un fabricante de equipamiento médico para suministrar los componentes compuestos para una línea de producto de mesa quirúrgica. Soszyńska dice que la empresa ha comenzado a demostrar la tecnología a varias empresas en Europa y EE. UU. a través de la oficina de WIT-Composites en Las Vegas, Nevada. Desafortunadamente, sin embargo, la pandemia de coronavirus ha retrasado negociaciones y la capacidad del equipo para viajar y demostrar la tecnología.

Mientras tanto, la empresa ha usado las innovaciones de diseño que creó para este proyecto como trampolín para otros proyectos, especialmente el diseño de bisagra "Pac-Man". Por ejemplo, WIT-Composites está desarrollando un recipiente de almacenamiento de hidrógeno de 150 MPa (21.755 psi) para el programa de Almacenamiento de Hidrógeno en el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo (Varsovia, Polonia), como subcontratista del Instituto de Física de Altas Presiones de la Academia Polaca de Ciencias (Varsovia). El material compuesto flexible y diseño de conector de bisagra desarrollado para el proyecto de mesa quirúrgica llevaron al desarrollo de una nueva solución para tubos compuestos de fibra de carbono filament-wound para usar en estaciones de repostaje de hidrógeno. "Esta es una construcción completamente nueva, algo único en el mercado. Y este proyecto nació de nuestro trabajo en mesa médica", dice Wit-Rusiecki. Otro objetivo a largo plazo es transferir la tecnología de bisagra de este proyecto a componentes de naves espaciales y satélites.