Systemy napędowe w technice medycznej

Systemy napędowe w technice medycznej

Co najmniej 50 000 pacjentów rocznie umiera w Europie z powodu infekcji nabytych w szpitalu. Z tą alarmującą liczbą, Niemieckie Towarzystwo Higieny Szpitalnej (DGKH) na początku 2008 roku postawiło palec na poważnej ranie: oporne na antybiotyki drobnoustroje są coraz bardziej obecne w szpitalach. Żądanie zwiększenia higieny na salach operacyjnych obejmuje również narzędzia chirurgiczne.

Narzędzia medyczne, takie jak wiertarki, piły czy frezarki, są dziś używane podczas wielu zabiegów chirurgicznych i operacji ortopedycznych. Gdy przez osteosyntezę unieruchamia się złamaną kość za pomocą płyty, używa się wiertarek i śrubokrętów. W protetyce służy poręczny system płukania do oczyszczania kości, zapewniając optymalne połączenie z cementem kostnym.

Po operacji narzędzia muszą być dokładnie wyczyszczone i wysterylizowane. Dobrą praktyką jest stosowanie sterylizacji parowej, która jest najczęściej używanym sposobem eliminacji mikroorganizmów w szpitalach i gabinetach.

Narzędzia chirurgiczne napędzane są różnymi silnikami. Silniki elektryczne — akumulatorowe lub zasilane przewodem — konkurują z systemami napędzanymi pneumatycznie. Jednak nie każda metoda napędu nadaje się równie dobrze do sterylizacji parą wodną. Materiał sterylizacyjny jest poddawany działaniu czystej, nasyconej pary wodnej do 134 stopni Celsjusza, która działa na wszystkie powierzchnie wcześniej wyczyszczonych narzędzi.

Jako niezwykle odpowiednie do sterylizacji parą wodną sprawdzają się silniki pneumatyczne nowoczesnego typu. Silniki elektryczne narażone są na ryzyko zwarcia. Baterie mogą ulec uszkodzeniu podczas sterylizacji w autoklawie. Dlatego są ładowane poza salą operacyjną i pozostają niejałowe.
To poważna wada w porównaniu z systemami pneumatycznymi, które są w pełni sterylne i dostępne obok stołu operacyjnego.

Firma DEPRAG SCHULZ GMBH i CO. z Oberpfälz, w Amberg, jest renomowanym specjalistą w produkcji wysokiej jakości silników pneumatycznych. W ofercie serii 67- posiada program silników z łopatkami ze stali nierdzewnej, które można bez problemu sterylizować parą i które są przeznaczone do zastosowań w technice medycznej. Wał silnika tej serii jest również wykonany z wysokiej jakości stali nierdzewnej i wytrzymuje agresywne środki czyszczące. Wszystkie silniki są całkowicie uszczelnione, nie ma ryzyka wycieku powietrza. Nadciśnienie wewnętrzne w pneumatycznym narzędziu zapobiega również przedostawaniu się brudu, co jest dużą zaletą w środowisku operacyjnym.

Dzięki silnikom łopatkowym ze stali nierdzewnej, producent narzędzi medycznych ma optymalny napęd, aby sprostać wysokim wymaganiom rynku. Przy projektowaniu silników do zastosowań medycznych dużą wagę przykłada się do gładkich powierzchni — ułatwia to czyszczenie i przyczynia się do doskonałej higieny.

Zasada działania silnika pneumatycznego jest prosta. Sprężone powietrze wytwarzane przez sprężarkę wprawia silnik w ruch obrotowy. W silniku łopatkowym dzieje się to w następujący sposób: Wirnik poruszający się w ekscentrycznym cylindrze jest wprawiany w ruch. W jego rowkach znajdują się łopatki, które są przez siłę odśrodkową wypychane na zewnątrz, przeciwko ścianie cylindra. Tworzą się w ten sposób komory robocze dla rozprężającego się powietrza. Dzięki tej ekspansji powietrza energia ciśnienia zamienia się w energię kinetyczną — powstaje ruch obrotowy.

Jakie wymagania stawia chirurg obok możliwości sterylizacji nowoczesnego narzędzia chirurgicznego? Silniki mocne, kompaktowe mają napędzać wiertarki z prawym i lewym obrotem do cięcia gwintów (z prędkością około 800 obrotów na minutę i momentem obrotowym do 4,5 Nm), piły tarczowe i oscylacyjne (pracujące z prędkością około 16 000 obrotów na minutę), a także frezy do kości (z prędkością około 250 obrotów na minutę i momentem do 14 Nm).
Narzędzie powinno być lekkie i ergonomiczne — operacja trwa czasami kilka godzin.

Specjaliści szacują, że w USA około jedna czwarta narzędzi napędzanych silnikami jest zasilana sprężonym powietrzem. Głównie dlatego, że można je łatwo podłączyć do istniejącej infrastruktury sprężonego powietrza w szpitalach.
W Niemczech i w dużej części Europy infrastruktura sprężonego powietrza w szpitalach jest dostępna i można ją utrzymywać bez dużych kosztów. To w dużej mierze przemawia za używaniem narzędzi napędzanych sprężonym powietrzem w salach operacyjnych. Nowoczesne systemy akumulatorowe, choć bardziej niezawodne i trwałe dzięki zastosowaniu litowo-jonowych baterii, w porównaniu do nich mają ograniczoną wydajność, podczas gdy sprężone powietrze jest dostępne bez ograniczeń, niezależnie od długości operacji.

Kolejną dużą wadą silników elektrycznych jest to, że podczas obciążenia generują ciepło, które trudno odprowadzić. Podczas długotrwałego obciążenia systemy elektryczne mogą się przegrzewać. Aby uniknąć przegrzania i potencjalnych obrażeń pacjenta lub operatora, konieczne jest zachowanie czasu chłodzenia. W systemie pneumatycznym jest to inne: „Przegrzanie silnika pneumatycznego jest wykluczone dzięki jego zasadzie działania” — mówi Dagmar Hierl, menedżer produktu w DEPRAG SCHULZ GMBH i CO. „Podczas rozprężania powietrza silnik chłodzi się pod obciążeniem.”

Silnik pneumatyczny może być obciążany do zatrzymania bez uszkodzeń. Po zmniejszeniu obciążenia działa ponownie bez problemu i może tak działać wielokrotnie, nawet przy dużej długości pracy. To czyni narzędzie pneumatyczne niezawodnym i trwałym.

Wydajność silnika pneumatycznego jest niemal stała na szerokim zakresie obrotów. Może być więc optymalnie używany w szerokim zakresie zmieniających się obciążeń. Prędkość obrotowa jest regulowana bezstopniowo przez ograniczenie ilości powietrza. Chirurg może łatwo dostosować wymaganą moc silnika do konkretnych potrzeb. Na przykład, w systemie płukania może ustawić moc pomp w zależności od gęstości kości pacjenta.
Hauptvorteil des Druckluftmotors als Antrieb ist seine große Leistungsdichte. Je nach Ausführung benötigt er nur ein Fünftel der Masse eines handelsüblichen Elektromotors oder ein Drittel seiner Größe. Chirurgische Werkzeuge sollen klein und äußerst handlich sein. Verständlich, wenn man an den millimetergenauen Einsatz in einem begrenzten OP-Feld denkt. Ein serienmäßiger DEPRAG Druckluftmotor aus Edelstahl mit integriertem Planetengetriebe und 400 W Leistung ist nur 61 Millimeter lang und hat einen Durchmesser von 32 Millimeter.

Im Operationssaal muss ein Antrieb ölfrei arbeiten wie auch in der Lebensmittel- oder chemischen Industrie. Für die DEPRAG Druckluftmotoren kein Problem, lediglich die preiswerten Lamellen sind als Verschleißteile ab und zu auszutauschen. Für den Einsatz im Reinraum ohne Öl bietet der Hersteller spezielle Lamellen an, die auf diese Anwendung abgestimmt sind. Geringe Wartungskosten sprechen für sich. Im Vergleich zu batteriebetriebenen Motoren, bei denen der Austausch der Akkus eine nicht zu unterschätzende Kostenfaktor beim Unterhalt der Systeme darstellt, ist ein pneumatisch angetriebener Antrieb robust, unverwüstlich und kann über Jahre mit geringem Wartungsaufwand eingesetzt werden.

Die DEPRAG Advanced Baureihe 67 umfasst Motoren mit unterschiedlichen Ausstattungen zu einem attraktiven Preis-Leistungs-Verhältnis. Verschiedene Antriebsspindeln sind im Standardprogramm ebenso enthalten wie unterschiedliche Motorbefestigungen. Kundenspezifische Motorlösungen wie ferritfreie Antriebe aus Glaskeramik oder Kunststoff, die z.B. in der Magnetresonanztherapie eingesetzt werden, sind ebenfalls erhältlich.