碳纤维医疗板的设计创新

碳纤维复合材料经常被用于制造手术台的表面。与金属或其他材料不同的是,碳纤维复合材料具有X射线透明性,这一特性在拍摄患者的X光图像时很有帮助。然而,传统的检查台设计并不总是能满足医务工作者的需求。

医务人员在使用复合材料手术台进行心脏外科、血管外科、神经外科和骨科手术时经常会遇到问题。这些类型的手术,往往需要在手术过程中进行X射线成像。在进行各种测试和医疗服务时,即使是在具有复合材料、X射线透明表面的医疗台上,所有将器械连接到桌子上的连接器都是由金属制成的,这意味着,对于某些需要X射线透明的手术或测试,医务人员可能需要在手术过程中多次移动或重新安置病人,以避开桌子上对X射线不透明的区域。当患者必须移动时,许多连接到患者的IV,电极和其他设备可能会变得脱落。

复杂的部件导致材料创新

材料方面的问题主要有:

  1. 复合层压板的裂缝,
  2. 不同供应商的材料之间的重量和材料性能差异,
  3. 难以平衡弹性性能和不同部分的负载要求。

根据测试结果对各个部件的材料进行了选择,包括碳纤维/环氧树脂预浸料,以及为了增加弹性,局部应用橡胶弹性体层。弹性体层创造了一种复合材料,它既具有弹性(具有可变的杨氏模量),又能抵抗突然的载荷变化。

对于全尺寸原型上的每个组件,分层碳纤维预浸料和弹性体材料的片材被切割成型,放入WIT-Composites设计和制造的模具中,真空包装并通过高压釜固化。

设计台面、导轨和铰链。

对于手术台的表面,主要考虑的因素包括足够的X射线透明度,根据IEC的EN 60601-2-46标准在关键点承受病人负荷的强度,以及ASTM的耐磨性和表面硬度标准。根据重量分配策略,负载下的最大挠度被限制在42.56毫米以下;台面的负载能力为225公斤(496磅)。台面的最大挠度发生在台面的中央部分,也就是病人躯干的位置。这是由台面内部部件的设计空隙造成的,以确保所需的X射线透视率(图1)。

 

只要达到机械要求,手术台本身的设计就很简单,因为市场上已经有几款现有的复合材料医疗台作为基线。然而,要建立一个全复合材料系统,需要团队设计和工程设计一套定制的复合材料导轨,用于桌子表面的两侧,以取代典型的金属导轨,以及某种类型的连接系统,以便在程序中悬挂医疗设备。

一个空心的圆柱形部件安装在两个平行的复合支柱之间,这些支柱从桌子的末端伸出。这个圆柱形部件形成了一个铰链,将一个可移动的矫形臂从桌子末端连接起来。

这种铰链组件最大的挑战是它的双重功能能力。它不仅需要可移动以实现手臂的旋转,而且还必须在手臂移动到所需位置后将其锁定。为了实现这一目标,使用已经安装在许多手术台上的那种压缩空气泵。该组件的大部分外皮是由刚性预浸料制成的;圆柱体内的凹陷是由薄薄的预浸料层制成的,该预浸料层由一层弹性体制成,具有弹性。连接到压缩空气泵上的管子迫使空气进入零件的内腔,使表皮的弹性部分膨胀,将其推到锁臂上,防止移动。当空气从空腔中释放时,弹性壁收缩,使铰链能够移动。

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