Révolution des postes chirurgicaux : nouveau design table composite booste efficacité et transparence rayons X

• Plateau, rails latéraux et bras chirurgical optionnel tout composite : zone transparence rayons X agrandie.
• Sections composites élastiques dans systèmes rail et charnière permettent système pompage air pour fixation sûre équipement médical sur table.
• Technologie tremplin pour futures technologies joints composite-sur-composite.

Les composites fibre de carbone sont souvent utilisés pour fabriquer surfaces tables chirurgicales. Contrairement au métal ou autres matériaux, composites fibre carbone sont transparents rayons X, propriété utile pour imagerie radiographique patients. Cependant, comme l'a découvert WIT-Composites (Lublin, Pologne), le design table examen traditionnel n'est pas toujours le plus efficace pour besoins personnel médical.

Problème : connecteurs métalliques bloquent transparence rayons X

WIT-Composites spécialisé composants composites fibre carbone hautement ingénierisés, polymérisés autoclave, clients divers marchés dont santé. En 2017, Michael Wit-Rusiecki, directeur R&D WIT-Composites, et équipe ont commencé entendre clients industrie médicale sur problèmes personnel médical rencontrés pendant cardiochirurgie, chirurgie vasculaire, neurochirurgie, orthopédie avec tables composites. Ces opérations nécessitent souvent imagerie rayons X pendant procédure.

« Ce qu'on a appris : un défi majeur pour effectuer tests/services médicaux, même sur tables surfaces composites transparentes rayons X, c'est que tous connecteurs où instruments fixés à table sont en métal », dit-il. Cela signifie que pour certaines procédures/tests nécessitant transparence rayons X, personnel médical doit déplacer/repositionner patients plusieurs fois pendant procédure pour éviter zones table non transparentes rayons X.

« On a mené interviews et étude marché avec médecins Pologne pour vérifier vrai besoin nouvelle solution, et on a beaucoup appris », ajoute Weronika Soszyńska, directrice générale WIT-Composites. Exemple : anesthésistes leur ont dit combien perfusions, électrodes, autres équipements connectés patients peuvent se déloger quand patients déplacés. « Beaucoup de problèmes auxquels on ne pense pas, et médecins disaient ils seraient très contents si solution développée. »

Composants complexes mènent innovations matériaux

Avec soutien Fonds européen développement régional programme Operational Program Smart Growth 2014-2020, département R&D WIT-Composites a passé 2 ans sur design table médicale tout composite, incluant rails et systèmes connexion. Selon Wit-Rusiecki, pas si simple que prévu.

Fig. 1. Simulation charges. Design surface table : WIT-Composites a modélisé flèche matériau sous charge (image haut) et répartition poids (image bas) pour assurer raideur et résistance usure requises alignées répartition poids patient. Crédit photos : WIT-Composites

« On visait design système complet : surface table opératoire, rail latéral, élément charnière, tous composites », explique Wit-Rusiecki. Bras orthopédique optionnel pour opérations, aussi composite, développé. Chaque composant : défis design et exigences mécaniques propres, processus essai-erreur 2 ans.

« Divers projets R&D : différentes compositions matériaux, essais fibres différents fournisseurs, stratification élastomères et préimprégné carbone/époxy de différentes façons », dit Wit-Rusiecki. Problèmes initiaux matériaux : fissures stratifiés composites, différences poids/propriétés matériaux selon fournisseurs, et — plus grand défi selon Wit-Rusiecki — difficulté équilibrer propriétés élastiques vs exigences charge dans différentes sections table.

Designs analysés via SolidWorks (Dassault Systèmes), CATIA (Dassault), NX (Siemens) et testés paramètres spécifiques : déformation, élasticité. Échantillons physiques itératifs testés résistance laboratoire certifié externe, tests tribologiques surface dureté/résistance usure stand test interne.

Choix matériaux composants individuels basés résultats tests : préimprégné carbone/époxy et, pour élasticité additionnelle, application locale couches élastomère caoutchouc. Selon Soszyńska, couche élastomère crée composite à la fois flexible (module Young variable) et résistant changements charge brusques.

Pour chaque composant prototype échelle réelle : feuilles préimprégné carbone et élastomères découpées forme, placées moules conçus/construits WIT-Composites, mis sous vide, polymérisés autoclave.

Design surface table, rails, charnières

Surface table : considérations principales transparence rayons X adéquate, résistance charges patient points clés selon normes IEC EN 60601-2-46, normes ASTM résistance usure/dureté surface. Flèche max sous charge selon stratégie répartition poids limitée <42,56 mm ; capacité charge plateau 225 kg (496 lb). Flèche max plateau partie centrale (torse patient), causée par vide conçu composants intérieurs pour translucence rayons X requise (Fig. 1).

Fig. 2. Point tournant. Bras mécanique se fixe rails table via connecteurs charnière spécialement conçus, forme personnage jeu vidéo Pac-Man. Charnières glissent facilement autour composants fixés grâce couches élastomères entre couches préimprégné, qui se dilatent pour verrouiller et se contractent pour permettre mouvement quand air pompé dans/retiré cavité creuse. Développement cette charnière = point tournant design système table.

Selon Wit-Rusiecki, table elle-même simple à designer si exigences mécaniques atteintes, plusieurs tables médicales composites existantes déjà sur marché comme base. Mais pour système tout composite, il a fallu designer ensemble rails composites personnalisés côtés surface table, remplaçant rails métal typiques, et système connexion équipement médical pendant procédures.

Avant prototype, équipe R&D a dessiné plusieurs dizaines idées systèmes connexion, basées formes nature à charnières portes, simulations éléments finis (MEF) pour réduire à 3 plus prometteurs. Moules et prototypes physiques 3 options construits pour tests vérifier capacité charge.

Deux designs connexion sur prototype final système. Le plus efficace = « point tournant » projet. Interne « design Pac-Man » : composant cylindrique creux s'insère entre deux entretoises composites parallèles saillant bout table. Ce composant forme charnière connectant bras orthopédique mobile bout table (Fig. 2).

Plus grand défi cette charnière : double fonction. Doit être mobile pour rotation bras, mais aussi verrouiller bras en place position désirée. Solution WIT-Composites : pompe air comprimé type déjà installée beaucoup tables opératoires. Majorité peau externe composant préimprégné rigide ; indent Pac-Man dans cylindre : fine couche préimprégné rendue élastique par couche élastomère. Tube relié pompe air force air dans cavité intérieure, dilatant section élastique peau, poussant contre bras emboîté empêchant mouvement. Air relâché → paroi flexible se contracte, mouvement charnière activé. « Forme finale répond paramètres résistance supposés et en une seconde, air comprimé, dispo toute salle op, fixation attache opérationnelle rail latéral plateau », dit Soszyńska.

Fig. 4. Connexions composites. Coupe transversale charnière Pac-Man (1) montrant emboîtement instruments médicaux et bras orthopédiques composites (2).

Même design composite flexible + pompe air, WIT-Composites a développé mécanisme pince rail verrouillable pour stabilité instruments médicaux côtés table (Fig. 3 et dessin).

« Polyvalence cette solution : utilisable connecteur éléments tubulaires et axes charnière souvent utilisés attaches orthopédiques chirurgie jambe, bassin, colonne », dit Soszyńska.

« Ce qu'on a réussi : plus besoin déplacer patients pendant opération », ajoute Wit-Rusiecki. « Pour ce projet, on a dû utiliser toutes nos capacités, design pièce/matériau, et technologie fabrication. »

Commercialisation, nouveaux marchés

Design réussi en place, WIT-Composites vise maintenant partenariat fabricant équipement médical pour fournir composants composites gamme tables chirurgicales. Soszyńska : entreprise a commencé démontrer technologie plusieurs entreprises Europe et US via bureau WIT-Composites Las Vegas, Nevada. Malheureusement, pandémie coronavirus a retardé négociations et capacité équipe voyager/démontrer.

En attendant, entreprise a utilisé innovations design créées ce projet comme tremplin autres projets, surtout charnière « Pac-Man ». Exemple : WIT-Composites développe réservoir stockage hydrogène 150 MPa (21 755 psi) pour programme Stockage Hydrogène Centre National Recherche et Développement (Varsovie, Pologne), comme sous-traitant Institut Physique Hautes Pressions Académie Polonaise Sciences (Varsovie). Matériau composite flexible et design connecteur charnière projet table chirurgicale → nouvelle solution tuyaux composites carbone filament-wound pour stations ravitaillement hydrogène. « Construction complètement nouvelle, unique sur marché. Ce projet né de notre travail table médicale », dit Wit-Rusiecki. Objectif long terme : transférer technologie charnière ce projet vers composants engins spatiaux et satellites.