가압 멸균 브러시리스 DC 모터를 사용한 전동식 수술 기기 설계의 단순화

배경 정보

오늘날 전동식 수술용 기구는 이비인후과, 정형외과, 신경과, 안과 및 성형외과 등 거의 모든 전문 수술 분야에서 사용되고 있습니다. 처음에 공압식으로 구동되었던 모든 기구는 이제 전기 에너지를 이용하고 있습니다. 전기 기기는 공압 기기보다 성능이 우수하고, 전원 제어 기능이 개선되었으며, 소음 수준을 낮추고 휴대성이 개선되었습니다. 전기 기기는 간단한 전기 콘센트만 있으면 되는 반면, 공압 기기는 복잡하고 부피가 크며 자주 수리를 해야 하는 공기 공급 장치가 필요합니다.

전기 모터 분야에서 상당한 혁신이 이루어진 덕분에 공기압에서 전기 동력으로 전환이 가능해졌습니다. 브러시리스 DC 모터 설계에 남아있는 주요 과제는 강력한 성능, 극도로 작은 크기, 수술용 기구에 적용되는 반복적인 살균 과정을 견디는 내구성입니다.

가압 멸균 사이클이란?

병원에서 가장 일반적으로 사용되는 살균 방법은 가압 멸균 (다른 말로 증기 살균) 입니다. 가압 멸균 중에 수술 기구는 습도 100%, 온도 275ºF, 압력 변동에 최대 18분 동안 노출됩니다. 대부분의 가압 멸균에는 증기를 쉽게 투과하여 기구 내부에 숨어 있을 수 있는 박테리아, 바이러스, 곰팡이, 포자를 박멸하기 위한 추가 진공 사이클도 있습니다. 기구 및 전기 모터 제조업체의 가장 큰 숙제는 기구들이 습기에 반복적으로 노출된다는 것인데, 이로 인해 심각한 전기 고장이 발생하곤 합니다.

다양한 접근 방법

다음은 수술 기구 제조업체가 전동식 수술 기구용 DC 모터를 선택할 때 채택하는 네 가지 접근 방법입니다.

• 일회용 기구
  한 가지 접근 방법은 매우 저렴한 DC 모터 및 플라스틱 구성 부품을 사용하는 것입니다. 이 일회용 기구는 수술 후 폐기해야 합니다. 병원에서는 유해 폐기물 증가와 녹색 이니셔티브에 미치는 영향에 대해 매우 우려하고 있습니다. 더구나 일회용 기구가 항상 가장 경제적인 선택인 것은 아닙니다. 특히 매일 여러 번 수술을 실시하는 경우 비경제적일 수 있습니다.
• 비가압 멸균 및 비살균 모터/배터리 팩
  또 다른 접근 방법은 비가압 멸균 배터리 팩에 연결된 일반 DC 모터를 사용하고 수술진이 기구를 살균하기 전에 모터/배터리 팩을 제거하는 것입니다. 이 경우, 첫 번째 문제는 모터와 배터리가 비살균 부품이라는 점입니다. 의료진이 특수 절차에 따라 모터/배터리 팩을 살균 기구에 추가해야 하므로 사용자 실수가 발생할 여지가 있기 때문입니다. 또한 외과 의사들은 내부에 비살균 부품이 있는 수술 기구를 사용하는 것에 대해 매우 우려하고 있습니다. 두 번째 문제는 수술진이 살균 전에 항상 비가압 멸균 모터/배터리 팩을 제거한다는 보장을 할 수 없다는 점입니다. 이 경우 결과적으로 조기 전기 고장이 발생할 수 있습니다.
• 중복 실링
  또 다른 접근법은 기구에 영구적으로 연결된 일반 DC 모터를 사용하고 이 모터를 외부 환경으로부터 실링하는 것입니다. 대부분의 경우 이 방법을 사용하면 만족스러운 성능을 달성하는 데 필요한 중복 실링으로 인해 설계 부피가 매우 커집니다. 역학 샤프트 실링이 기구나 모터 축에 추가되므로 기구 효율성도 대폭 감소됩니다. 이 경우 전류 유입이 증가하여 배터리 수명이 짧아지고 기구 온도가 올라갑니다. 또한 어떤 실링 시스템도 완벽하지는 않으며 모든 기계는 언젠가는 결국 고장 나기 마련입니다.
• 가압 멸균 모터 솔루션
  최상의 설계 옵션은 중복 실링 시스템 없이 자체적으로 가압 멸균을 견딜 수 있는 가압 멸균 DC모터를 사용하여 기구 크기를 축소하고 살균 절차를 최대한 간단하게 유지하는 것입니다.

극소수의 모터 제조업체만이 가압 멸균 모터를 설계할 수 있습니다. 슬롯 구조의 브러시리스 기술은 20년 이상 의료 시장의 주요 기준이 되고 있습니다. 라미네이션 스택의 슬롯에 권선을 삽입하는 설계를 통해 슬롯 구조 모터 권선을 보호합니다. 모터 성능에 영향을 미치지 않고도 추가 코팅 또는 몰딩 재료를 쉽게 추가할 수 있습니다. (그림 3)

하지만 다른 면에서 보면 슬롯 없는 브러시리스 모터는 가압 멸균 적용에 그다지 적합하지 않습니다. 권선 구조는 외부 환경에 그대로 노출됩니다. 코팅이나 몰딩 없이 권선을 보호하려는 경우 자성 공극이 증가하며 모터 성능과 기구 효율성이 대폭 감소됩니다. (그림 4)

결론

Design engineers should be very careful when selecting a motor for a surgical hand tool. While it might be tempting to select an inexpensive non autoclavable motor, it may results in a more costly end product when additional sealing costs are taken into consideration. The motor selection will also have a direct impact on the tool reliability and servicing cost. Most of the leading manufacturers of surgical hand tools now use autoclavable brushless slotted technology for their superior performances in autoclave and best in class power density.