Siłowniki elektromechaniczne i filary pełnią istotną rolę w zakresie ruchu i pozycjonowania w szpitalach, centrach diagnostycznych i placówkach ambulatoryjnej opieki zdrowotnej. Są one wbudowywane w stoły chirurgiczne, fotele zabiegowe i podobny sprzęt wymagający kontrolowanego, bezpiecznego i powtarzalnego pozycjonowania pacjenta. Są one powszechnie określane ze względu na ich nośność, aby wykonywać ruchy pchające lub ciągnące, podnoszenie pionowe i/lub funkcje przechylania pacjenta.
Na jakie parametry konstruktorzy powinni zwrócić szczególną uwagę, przygotowując specyfikacje systemów siłowników do tak krytycznych zastosowań?
Projektanci powinni wziąć pod uwagę udźwig (zapewnienie niezbędnego wsparcia podczas pracy), wysokość wejścia (związaną z dostępem do pacjenta), wymogi bezpieczeństwa i regulacje prawne, zakres luzu układu napędowego (wpływający na stabilność sprzętu), prędkości (wpływające na czas leczenia i wydajność) oraz hałas (cichsza praca jest lepsza zarówno dla pacjenta, jak i operatora). Poza tymi parametrami, w grę wchodzą również takie kwestie, jak powierzchnia dostępna do integracji systemu, przewidywane wymagania konserwacyjne oraz zaawansowanie i wszechstronność jednostek sterujących i akcesoriów.
Anatomia siłowników i filarów teleskopowych
Siłownik liniowy to system składający się z silnika elektrycznego i mechanizmu mechanicznego służącego do przekształcania ruchu obrotowego w liniowy. Podstawowe komponenty obejmują silnik elektryczny, przekładnie i napęd śrubowy. Po przyłożeniu mocy do silnika siłownik pcha lub ciągnie ładunek.
Kolumna teleskopowa to zasadniczo siłownik umieszczony wewnątrz zestawu prowadzonego w rurze, działający jako element stabilizujący ruch siłownika. Kolumna teleskopowa jest zazwyczaj wykorzystywana do montażu platformy stołu lub krzesła oraz podnoszenia i opuszczania sprzętu w zależności od potrzeb. Podczas gdy filary mogą podnosić te same obciążenia, co siłowniki, ich funkcja prowadzenia, będąca nieodłącznym elementem rur profilowanych, umożliwia im przyjmowanie obciążeń związanych z przesunięciem i momentem bez konieczności projektowania dodatkowej ramy nośnej i prowadzącej.
Niektóre filary są wielostopniowe i umożliwiają ruch pionowy w dwóch lub więcej stopniach. Podczas gdy filar jednostopniowy posiada jedną śrubę, która rozpiera dwie rury w celu podniesienia ładunku, filar dwustopniowy posiada mechanizm o podwójnym działaniu (z dwiema śrubami), który rozpiera trzy oddzielne stopnie (jeden stopień pcha się na drugi, a drugi na trzeci).
Filary teleskopowe są w stanie osiągnąć wysoki stosunek wysokości podnoszenia do wysokości wsuwania, co jest szczególnie istotne w przypadku stołów chirurgicznych i foteli zabiegowych. Stosunek ten umożliwia ustawienie stołu lub krzesła bardzo nisko (łatwiejszy dostęp dla pacjentów) oraz przemieszczanie go bardzo wysoko (korzyści ergonomiczne dla personelu medycznego). Wysokość wejścia stała się kwestią regulacji prawnych - dowodem na to jest ustawa Americans with Disabilities Act (ADA) wymagająca sprzętu o wysokości wejścia 17-19 cali.
Mechanizmy nożycowe mogą być również wykorzystywane do podnoszenia pacjentów, szczególnie w fotelach zabiegowych. Zaletą tego rozwiązania jest mała wysokość podnoszenia przy dużym skoku, ale wadą - słaba charakterystyka sztywności i znacznie bardziej skomplikowana konstrukcja fotela z dużą liczbą części oraz dodatkowym czasem i kosztem montażu. W przypadku stołów chirurgicznych wymagających niewielkiej powierzchni podstawy ramy centralnej, mechanizm nożycowy o odpowiednim obciążeniu i sztywności jest po prostu zbyt duży, aby stanowić realną opcję. W przeciwieństwie do nich filary mogą być dostarczane jako systemy typu "plug-and-play", bez problemów związanych ze złożonym montażem, ograniczeniami wydajności i rozmiaru.
Konkurencją dla technologii siłowników elektromechanicznych i filarów są systemy hydrauliczne, często wykorzystywane do realizacji funkcji pozycjonowania. Chociaż systemy hydrauliczne są ogólnie rzecz biorąc kompaktowe i zapewniają wysoką gęstość mocy w stosunku do swoich rozmiarów, kilka wad sprawia, że są one mniej korzystną opcją dla nowych rozwiązań. Słabe możliwości pozycjonowania, wolne prędkości, wysokie wymagania serwisowe i wszechobecne ryzyko wycieku oleju w dużej mierze zdegradowały układy hydrauliczne do drugiego wyboru za elektromechaniką.
Lista kontrolna dla zoptymalizowanego projektu systemu
Zoptymalizowane systemy pozycjonowania pacjenta będą zależały od wiedzy projektanta na temat wydajności i potrzeb bezpieczeństwa danej aplikacji oraz od tego, jak można rozwiązać potencjalne problemy już na samym początku. Poniżej znajduje się lista kontrolna podstawowych celów, które pomogą w podjęciu decyzji:
1. Określ wymagania dotyczące obciążenia
Siłowniki elektromechaniczne i kolumny foteli i stołów muszą być w stanie wytrzymać obciążenie pacjenta, a nośności różnią się w zależności od wymaganej funkcji. Na przykład w przypadku projektowania fotela zabiegowego przeznaczonego do obsługi pacjentów o wadze do 600 funtów nośność siłowników może wynosić od 2000 N dla regulacji nóg do 6000-8000 N dla regulacji pleców i Trendelenburga (wzdłużne odchylenie osi ciała).
Ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu funkcji podnoszenia za pomocą filaru teleskopowego, jest odległość środka ciężkości w stosunku do środka filaru, ponieważ wprowadzane przez to przesunięcie może stanowić znaczne dodatkowe obciążenie. Nośność słupa 4000 N jest zazwyczaj wystarczająca do udźwignięcia pacjenta o masie 600 funtów, natomiast 6000 N jest bardziej odpowiednie dla pacjentów o masie do 1000 funtów.
2. Bezpieczeństwo przede wszystkim
Bezpieczeństwo mechaniczne i elektryczne sprzętu jest kluczowym wymogiem, który nie powinien być traktowany lekceważąco. W zależności od krzesła lub stołu należy zapewnić współczynnik bezpieczeństwa pierwszej awarii wynoszący od 2,5 do 4-krotności maksymalnego obciążenia (do którego nie może dojść do upadku pacjenta). Siłowniki i filary certyfikowane zgodnie z medyczną normą bezpieczeństwa IEC 60601-1 powinny być wybierane w celu zmniejszenia ryzyka dla pacjenta i skrócenia czasu ostatecznej certyfikacji systemu.
3. Minimalizacja "luzów" systemu.
Ogólna sztywność systemu i konstrukcja o niskim luzie może być kluczowym wymogiem podczas projektowania stołów i krzeseł do procedur krytycznych, takich jak chirurgia oka. Luz może być wprowadzony przez siłownik (ogólna konstrukcja, konstrukcja śruby, hamulce i/lub przekładnie), jak również przez punkty mocowania i zawiasy. Dodatkowo może to mieć wpływ na sztywność sprzętu, powodując niekontrolowane drgania lub chybotanie. Wszystkie te niepożądane działania można zminimalizować poprzez wprowadzenie inteligentnych rozwiązań konstrukcyjnych i wybór siłownika o zredukowanym luzie. Dla przykładu, luz siłownika wynoszący zaledwie 0,5 mm może skutkować luzem do 5 mm na końcu stołu, w zależności od dźwigni widocznych w wyposażeniu.
4. Potwierdzić zakresy prędkości
Prędkości unoszenia foteli zabiegowych i stołów chirurgicznych nie powinny być zbyt wolne, aby skrócić czas zabiegu. Prędkości podnoszenia filarów w fotelach zabiegowych wynoszą zazwyczaj do 35 mm/s, natomiast w przypadku stołów operacyjnych mogą być mniejsze i wynosić 15 mm/s. Prędkości siłowników realizujących funkcje inne niż podnoszenie mogą być tak wolne jak 5mm/s do 10mm/s, ponieważ zazwyczaj są one zaprojektowane do wykonywania funkcji obracania poprzez naciskanie krótkiej dźwigni.
5. Zmniejszanie poziomu hałasu
Poziom hałasu w siłownikach elektromechanicznych jest generowany przez połączenie silnika elektrycznego, przekładni i konstrukcji śruby. Konstruktorzy mogą zmniejszyć poziom hałasu poprzez wybór siłowników z silnikami o wolniejszym obrocie (o niskim poziomie hałasu) i przekładniami ślimakowymi oraz poprzez zastosowanie m.in. osłon tłumiących hałas.
Przejęcie kontroli
Postęp technologiczny w dziedzinie siłowników i filarów obejmuje również ich jednostki sterujące, które nadal ewoluują pod względem funkcjonalności i możliwości podłączenia w zastosowaniach związanych z pozycjonowaniem pacjenta.
Sterowniki mogą być skonfigurowane do zarządzania wieloma siłownikami i filarami, a dzięki zintegrowaniu mikroprocesorów mogą m.in. zarządzać regulacją położenia, prędkości, ruchem zsynchronizowanym, zależnością między siłownikami oraz ogranicznikami bezpieczeństwa. Urządzenia wejściowe (przełączniki ręczne, nożne i bezprzewodowe), zewnętrzne wyłączniki krańcowe i inne elementy bezpieczeństwa mogą być również zarządzane za pomocą odpowiednio dobranych jednostek sterujących.
Sterowniki mogą być również wyposażone w funkcję przywoływania pozycji pamięci, co pozwala na szybkie ustawienie często wymaganych ustawień, takich jak "home" do powrotu stołu do podstawowego punktu wyjścia dla następnego pacjenta.
Na horyzoncie pojawiają się innowacje w dziedzinie siłowników elektromechanicznych i filarów, które mają zwiększyć funkcjonalność, wydajność i niezawodność. Należą do nich m.in. zwiększone możliwości łączności, monitorowanie stanu systemów w celu oceny ich kondycji, a także możliwość bezprzewodowego wprowadzania danych za pośrednictwem smartfonów.
Podobnie jak w przypadku elementów mechanicznych systemu, sterowniki medyczne powinny być certyfikowane zgodnie z normą IEC 60601-1, aby zapewnić maksymalne bezpieczeństwo elektryczne dla pacjenta i operatora oraz skrócić czas opracowywania i zmniejszyć ryzyko dla producentów OEM.
