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Considérations relatives au choix d'une solution technologique de moteur miniature pour résoudre les défis liés à la conception d'instruments chirurgicaux
Contexte
Les instruments chirurgicaux manuels électriques sont indispensables dans une salle d'opération. Depuis des décennies, les chirurgiens et les fabricants font confiance aux moteurs à courant continu sans balais (Brushless Direct Current, BLDC) stérilisables pour répondre aux exigences de couple, de vitesse et de fiabilité des outils chirurgicaux manuels. Avec l'avancée de la robotique chirurgicale et des instruments chirurgicaux robotisés, les fabricants continuent de se tourner vers les moteurs BLDC pour répondre aux exigences élevées que présentent ces technologies. Les moteurs et le mouvement sont des éléments essentiels de la robotique, mais les exigences relatives aux moteurs utilisés en robotique chirurgicale diffèrent quelque peu des exigences typiques de la robotique traditionnelle et des instruments chirurgicaux manuels classiques.
Les chirurgiens ont besoin de matériel stérile fiable, quelle que soit sa nature. Cet équipement doit être en mesure de fonctionner de manière sûre et uniforme malgré des conditions d'utilisation difficiles et une stérilisation à la vapeur répétée lors du retraitement.
Au-delà des exigences de fiabilité, les concepteurs d'instruments chirurgicaux sont confrontés à des problèmes de mouvement difficiles à résoudre : exigences précises de vitesse et de couple, température et autres contraintes, voire exigences de contrôle de position extrême. Ces fabricants ont besoin de solutions de contrôle de mouvement parfaitement adaptées à leur application, qui ont été personnalisées de manière appropriée pour s'intégrer à leur outil et leur permettre de faire les bons compromis pour en optimiser les performances.
Méthodes de maintien et de protection du champ stérile dans la salle d'opération
Les infections, la contamination croisée et la propagation des maladies sont toutes des préoccupations importantes en salle d'opération. Voici les approches les plus courantes utilisées pour protéger l'instrument dans le champ stérile :
L'instrument jetable
L'une de ces approches consiste pour l'hôpital à utiliser des instruments jetables à usage unique. Ceux-ci sont généralement dotés de moteurs bon marché (une longue durée de vie n'est pas requise) et de composants en plastique. Ces instruments doivent être jetés après chaque intervention chirurgicale. Bien que cette démarche simplifie le retraitement et élimine les exigences associées à l'entretien des instruments, elle nécessite également un approvisionnement constant et augmente la quantité de déchets dangereux produits par l'hôpital. De plus, les outils jetables ne sont généralement pas l'option la plus économique si l'on tient compte de la durée de vie totale d'un instrument réutilisable.
Conception modulaire de stérilisation à l'aide de composants non stérilisables
Une autre manière de procéder consiste à concevoir l'instrument de telle sorte que les composants exposés soient stérilisés et que d'autres ne le soient pas. Par exemple, le moteur BLDC ainsi que le contrôleur et la batterie associés peuvent se trouver à l'intérieur de l'instrument, ce qui signifie que le personnel hospitalier doit retirer le moteur / la batterie avant la stérilisation. Cette approche nécessite le respect à la lettre d'un processus spécial afin d'assurer que l'instrument retraité est correctement stérilisé. Par ailleurs, elle peut nécessiter des composants électroniques et des connexions d'une conception plus durable en raison de la déconnexion et de la reconnexion répétées du moteur et de la batterie du système.
Barrière de protection
Un autre moyen consiste à recouvrir le bras ou l'instrument robotique d'une barrière stérile (généralement jetable), par exemple, un drap ou une « coque » en plastique. Lorsqu'elle est correctement réalisée, cette barrière définit bien le champ stérile et élimine la nécessité de retraiter les composants qui ne s'y trouvent pas. Cette façon de faire fait partie du processus classique de conception de grands systèmes robotiques chirurgicaux pour lesquels l'autoclavage de l'ensemble du système est impossible. Les exigences ergonomiques des systèmes robotiques diffèrent également de celles des chirurgies classiques pratiquées à l'aide d'instruments manuels : par exemple, le moteur peut être physiquement situé loin de l'effecteur terminal chirurgical et transmettre le mouvement par câble, ce qui peut s'avérer irréalisable dans la chirurgie classique lorsqu'un chirurgien essaie de manipuler un outil manuel avec précision pour effectuer une tâche délicate. Il convient de noter que cette approche de conception est également typique pour les procédures médicales dont les exigences de stérilisation sont moins strictes, telles que les applications dentaires ou de tatouage. Celle-ci présente des inconvénients : les schémas de drapage complexes nécessitant un retrait et un remplacement systématiques peuvent augmenter considérablement le temps d'occupation de la salle d'opération pour une intervention. Souvent encombrant et gênant, le drapage réduit également la visibilité dans la salle et nuit à l'ergonomie.
La solution de moteur stérilisable à l'autoclave
Enfin, l'instrument peut être conçu de telle sorte que tous les composants soient stérilisables, y compris les moteurs. L'introduction de moteurs BLDC stérilisables il y a plus de 30 ans, a permis aux concepteurs de produire des instruments ergonomiques haute puissance dont on savait qu'ils étaient stériles, puisqu'ils avaient été entièrement soumis au processus de stérilisation. Les instruments chirurgicaux robotisés qui, en général, nécessitent également un emballage stérile tout en étant compacts, durables, efficaces, peu bruyants et affichant une puissance élevée, bénéficient également de ces avantages.
Conception de moteurs BLDC stérilisables à l'autoclave pour les instruments chirurgicaux
Les instruments manuels motorisés traditionnels et les instruments chirurgicaux robotisés peuvent utiliser la technologie BLDC dans une configuration avec encoches ou sans encoches pour une représentation des variantes des moteurs BLDC dits « in-runner » (lorsque le rotor tourne à l'intérieur du stator fixe). Dans ce contexte, « avec encoches ou sans encoches » fait référence au type de lamination à l'intérieur du stator du moteur. Les deux technologies ont leurs points forts : les exigences de l'application détermineront celle qui convient le mieux à la conception du moteur.
La technologie BLDC avec encoches est une solution éprouvée depuis plus de 30 ans sur le marché des moteurs chirurgicaux. Dans une conception avec encoches, les bobines de cuivre sont enroulées dans ces dernières (Figure 4). La bobine est intrinsèquement protégée lorsqu'elle est insérée dans les encoches des lamination. Des couches supplémentaires d'isolation et de matériau de moulage peuvent facilement être ajoutées sans affecter les performances du moteur. Cette configuration physique fait du BLDC avec encoches la technologie idéale pour les moteurs nécessitant une résistance extrême aux conditions environnementales difficiles, comme celles observées dans la stérilisation à l'autoclave ou lors de chirurgies exposant le moteur à une solution saline et à d'autres contaminants. La conception à encoches offre également les avantages suivants :
- Personnalisation aisée de l'électromagnétique (bobinages, longueur des laminations, etc.)
- Peut atteindre une résistance diélectrique très élevée (1 600 VCA ou plus)
- Amélioration de la dissipation thermique et, par conséquent, couple continu plus élevé permet au couple de rester stable sur une large plage de températures)
- Inertie du rotor plus faible
Le BLDC sans encoches, l'autre technologie BLDC, est également très performant et peut très bien convenir à l'application. Dans un moteur sans encoches, le bobinage est effectué lors d'une opération externe séparée et la bobine est de type « autonome » (Figure 4). La bobine autonome est ensuite insérée directement dans l'entrefer pendant l'assemblage du moteur. Dans cette conception, l'induction magnétique dans la bobine est réduite du fait de la grande taille de l'entrefer. Dans un moteur de ce type, l'induction est habituellement beaucoup moins importante que dans un moteur BLDC sans encoches, de sorte qu'un aimant plus grand et plus puissant est généralement nécessaire pour compenser la perte d'induction. Bien que les moteurs sans encoches puissent être conçus pour résister à la stérilisation à la vapeur grâce à l'isolation et à d'autres revêtements de protection pour les composants électroniques exposés, il est par nature plus difficile de les protéger de manière durable et fiable en environnement ardu que les moteurs avec encoches. Si l'aptitude à l'autoclavage ou à un très grand nombre de cycles de stérilisation ne sont pas une nécessité, certains aspects de la conception sans encoches peuvent être avantageux dans une application donnée :
- Couple résiduel nul (c.-à-d. pas de cogging)
- Fonctionnement fluide à des vitesses très élevées
- Inertie du moteur supérieure
- Capacité de couple de pointe élevée
Contrôle de mouvement précis
Pour certaines procédures chirurgicales ou approches de conception d'instruments, un niveau très élevé de contrôle de la précision du moteur peut s'avérer nécessaire. C'est souvent le cas pour les instruments chirurgicaux robotisés qui utilisent des capteurs, des systèmes de vision, une rétroaction haptique ou des mappages 3D sophistiqués pour cibler la manipulation du matériau avec une précision submillimétrique. Une exécution réussie de la chirurgie peut nécessiter un contrôle extrêmement précis de la puissance du moteur. Les exigences de précision peuvent aller au-delà de ce que permettent les capteurs à effet Hall traditionnels, qui peuvent détecter la position du rotor par incréments de 60 degrés. Avec un codeur, il est possible de fournir une rétroaction pour le contrôle de la vitesse et le positionnement du rotor par incréments inférieurs à 1 degré.
Les codeurs fournissent des mesures de la position angulaire de l'arbre du rotor avec une précision bien supérieure à celle de trois capteurs à effet Hall. Une telle rétroaction peut être utile pour le contrôle de la position ou l'amélioration de la précision du contrôle d'un moteur BLDC. À partir des mesures de position fournies, il est possible de déduire à la fois la vitesse, l'accélération et la direction. Lors de la recherche d'un codeur, il faut tout d'abord déterminer la précision et la résolution requises. Il faut également choisir le type de technologie. Les technologies optique et magnétique sont les plus couramment utilisées pour les codeurs rotatifs. En règle générale, dans les applications pouvant être stérilisées à l'autoclave telles que les instruments chirurgicaux, les codeurs magnétiques s'avèrent être une option robuste et fiable. La rétroaction incrémentielle et la rétroaction absolue sont deux options courantes de communication de la valeur angulaire. Avec la rétroaction incrémentielle, une impulsion nulle est renvoyée, une par tour, et un compteur est requis pour calculer la position angulaire absolue, sinon la rétroaction est relative. La rétroaction absolue utilise généralement une ligne de communication série telle que SSI, SPI ou BiSS afin de fournir une valeur angulaire codée comprise entre 0 et 360 degrés.
Les options disponibles sont les suivantes :
- Option stérilisable : conçue et testée pour plus de 2 000 cycles d'autoclave
- Sorties de capteurs à effet Hall pour la commutation en 6 étapes (U, V, W)
- Codeur incrémental 10 bits (A, B, Z)
- Codeur angulaire absolu de résolution 11 bits
- Sortie de position absolue via SPI
- Sortie différentielle pour les environnements bruyants
- Montage hors axe autorisant la canulation
Conclusion
Les instruments chirurgicaux modernes, qu'ils soient manuels ou robotisés, présentent des exigences de mouvement extrêmement strictes et précises. Ces dernières peuvent être satisfaites en collaborant avec un fournisseur de moteurs capable de proposer une large variété de technologies et pouvant justifier d'une grande expérience des instruments chirurgicaux manuels dans ce domaine.
À propos de Portescap
Portescap est un fabricant de moteurs miniatures à courant continu avec ou sans balais, avec ou sans encoches, pas-à-pas, actionneurs linéaires, Can Stack, ainsi que de composants connexes tels que les réducteurs, les codeurs et les contrôleurs. Portescap est l'un des plus grands fournisseurs de moteurs stérilisables pour instruments chirurgicaux manuels et robotisés. Les moteurs BLDC avec encoches stérilisables de Portescap ont été utilisés dans des dizaines de millions d'interventions chirurgicales à travers le monde, dans toutes les applications chirurgicales imaginables. Notre équipe d'ingénieurs a consacré plus de 30 ans à améliorer continuellement la conception de nos moteurs stérilisables, dont il a été démontré qu'ils peuvent résister à plus de 3 000 cycles d'autoclave, dépassant ainsi de loin la durée de vie utile d'un instrument chirurgical. Portescap propose des personnalisations de moteur complètes adaptées aux besoins des instruments chirurgicaux : canulation d'arbre, conception électromagnétique totale, caractéristiques de montage, rapports de réducteurs personnalisés, connexions par terminaux / câbles, et bien plus encore. Les ingénieurs de conception experts de Portescap collaboreront avec votre équipe pour personnaliser toutes les fonctionnalités de votre instrument chirurgical manuel unique ou de votre application de chirurgie robotique.
Applications typiques de moteur Portescap pour la robotique chirurgicale
- Rasoirs arthroscopiques
- Scies sagittales
- Scies oscillantes
- Perceuses orthopédiques, perceuses à haute et moyenne vitesse
- Mandrin passe broche
- Agrafeuses chirurgicales
EXPOSÉ TECHNIQUE
QU'EST-CE QU'UN CYCLE D'AUTOCLAVE ?
La méthode de stérilisation la plus couramment utilisée dans les hôpitaux est l'autoclavage, également appelée stérilisation à la vapeur. Pendant l'autoclavage, les instruments chirurgicaux manuels sont exposés à une humidité de 100 % à 135 °C (275 °F) et à des variations de pression pendant 18 minutes au maximum. La plupart des autoclaves ont également des cycles de vide supplémentaires pour faciliter la pénétration de la vapeur et tuer les bactéries, les virus, les champignons et les spores susceptibles de se cacher à l'intérieur des cavités microscopiques de l'instrument. L'exposition répétée à cet environnement est généralement la cause de problèmes électriques et de corrosion importants pour les moteurs et les instruments qui n'ont pas été suffisamment bien conçus pour résister à ces conditions.
Cycle d'autoclave classe B avant et après le vide
