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Considerações para selecionar uma solução de tecnologia de minimotor para resolver seus desafios de design de dispositivo cirúrgico
Plano de fundo
Ferramentas cirúrgicas manuais são a base da sala de cirurgia. Por décadas, cirurgiões e fabricantes de dispositivos confiaram em motores de corrente contínua (CC) sem escovas esterilizáveis para atender aos requisitos de torque, velocidade e confiabilidade de ferramentas cirúrgicas manuais. Com o avanço da robótica cirúrgica e dos dispositivos cirúrgicos assistidos por robôs, os fabricantes de dispositivos continuam buscando motores DC sem escovas que atendam aos seus exigentes requisitos. Os motores e o movimento são fundamentais para a robótica, no entanto, os requisitos para motores na robótica cirúrgica diferem um pouco dos requisitos típicos da robótica tradicional e das ferramentas cirúrgicas manuais tradicionais.
Independentemente da natureza do dispositivo, os cirurgiões precisam de ferramentas esterilizadas nas quais possam confiar. Eles precisam de dispositivos que funcionem de forma confiável e consistente, apesar do uso exigente em campo e da esterilização repetida a vapor durante o reprocessamento.
Além dos requisitos de confiabilidade, os projetistas de dispositivos cirúrgicos têm problemas de movimento desafiadores para resolver: requisitos exatos de velocidade e torque, temperatura e outras restrições ou demandas extremas de controle de posição. Esses fabricantes de dispositivos precisam de soluções de controle de movimento que sejam idealmente adequadas para sua aplicação e que tenham sido propriamente personalizadas para integração com sua ferramenta e façam as compensações adequadas para otimizar o desempenho.
Métodos para manter e preservar o campo estéril na sala de cirurgia
Infecção, contaminação cruzada e disseminação de doenças são questões importantes na sala de cirurgia. Estas são as abordagens mais comuns para proteger a ferramenta no campo estéril:
A ferramenta descartável
Uma abordagem é o hospital utilizar ferramentas descartáveis de uso único. Geralmente, usam motores baratos (não é necessária longa vida útil) e componentes de plástico. Essas ferramentas devem ser descartadas após cada cirurgia. Embora essa abordagem simplifique o reprocessamento e elimine os requisitos de manutenção de ferramentas, também exige que seja mantido um fornecimento consistente de ferramentas e aumenta a quantidade de resíduos perigosos produzidos pelo hospital. Além disso, ferramentas descartáveis normalmente não são a opção mais econômica quando comparadas com a vida útil total de uma ferramenta reutilizável.
Design modular para esterilização usando componentes não esterilizáveis
Outra abordagem é projetar o dispositivo de forma que os componentes expostos sejam esterilizados e outros não. Por exemplo, o motor CC sem escovas e o controlador e a bateria que o acompanham podem estar dentro do dispositivo, exigindo que a equipe do hospital retire o motor/bateria da ferramenta antes da esterilização. Essa abordagem requer que um processo especial seja seguido corretamente para garantir que a ferramenta reprocessada seja devidamente esterilizada e também pode exigir componentes eletrônicos e conexões mais duráveis no design devido à desconexão e reconexão repetida do motor e da bateria do sistema.
Barreira de proteção
Outra abordagem é cobrir o braço robótico ou o instrumento com uma barreira estéril (normalmente descartável), por exemplo, uma cobertura de plástico ou uma “concha” de plástico. Quando executada com sucesso, a barreira define bem o campo estéril e elimina a necessidade de componentes fora do campo serem reprocessados. Essa abordagem é um componente de design típico para grandes sistemas robóticos cirúrgicos — para os quais a autoclave de todo o sistema é impraticável. Os requisitos ergonômicos dos sistemas robóticos também diferem da cirurgia tradicional com ferramenta manual — por exemplo, o motor pode estar fisicamente localizado longe do efetor da extremidade cirúrgica e transmitir o movimento por meio de acionamento por cabo, o que pode não ser viável para a cirurgia tradicional quando um cirurgião está tentando manipular com precisão uma ferramenta para realizar uma tarefa delicada. Observe que essa abordagem de design também é típica para procedimentos médicos que têm requisitos de esterilização menos rigorosos, como aplicações dentais e tatuagens. Existem aspectos negativos nesta abordagem: esquemas complexos de drapear, que requerem remoção e substituição sistemáticas podem aumentar significativamente o tempo que a sala de cirurgia fica ocupada para uma cirurgia. O drapeado também costuma ser volumoso e desajeitado, reduzindo a visibilidade na sala de cirurgia e afetando negativamente a ergonomia.
A solução de motor autoclavável
Finalmente — o dispositivo pode ser projetado de forma que todos os componentes sejam esterilizáveis, incluindo os motores. A introdução de motores DC sem escovas esterilizáveis há mais de 30 anos permitiu que os projetistas de ferramentas produzissem ferramentas ergonômicas de alta potência que pudessem ser confiavelmente esterilizadas porque a ferramenta toda passou pelo processo de esterilização. Os benefícios se estendem aos dispositivos cirúrgicos assistidos por robô, que geralmente também requerem uma embalagem estéril com tamanho pequeno, alta potência, durabilidade, eficiência, baixo ruído e vida útil longa.
Design de motor CC sem escovas autoclavável para dispositivos cirúrgicos
Tanto as ferramentas manuais motorizadas tradicionais quanto os dispositivos cirúrgicos assistidos por robô podem utilizar a tecnologia CC sem escovas em uma configuração com ou sem ranhuras para os chamados motores DC sem escovas "in-runner" (em que o rotor gira dentro do estator estacionário). Observe que com ranhuras vs. sem ranhuras refere-se ao tipo de laminação no estator do motor. Ambas as tecnologias têm seus pontos fortes — os requisitos da aplicação determinarão qual tecnologia é mais adequada para o design do motor.
A tecnologia CC sem escovas com ranhuras tem se mostrado uma solução comprovada no mercado de motores cirúrgicos por mais de 30 anos. Em um design com ranhuras, as bobinas de cobre são enroladas dentro das ranhuras (Figura 4). A bobina é naturalmente protegida quando inserida nas ranhuras da pilha de laminação. Camadas de isolamento adicionais e material de moldagem podem ser facilmente adicionados sem afetar o desempenho do motor. Essa configuração física faz do CC sem escovas com ranhuras a tecnologia ideal para motores que requerem extrema resistência a condições ambientais adversas, como aquelas observadas em autoclave ou durante cirurgias que expõem o motor a soro fisiológico e outros contaminantes. Além disso, o design com ranhuras fornece:
- Fácil personalização para eletromagnéticos (enrolamentos, comprimento da pilha de laminação etc.)
- Pode atingir resistência dielétrica muito alta (1.600 VCA de alta potência ou superior)
- Dissipação de calor aperfeiçoada e torque contínuo mais alto
- Folga de ar magnética pequena, permitindo o uso de ímãs mais finos e proporcionando maior coeficiente de permanência (o que permite estabilidade de torque em ampla faixa de temperatura)
- Inércia do rotor mais baixa
O CC sem escovas sem ranhuras, a outra tecnologia CC sem escovas, também é muito capaz e pode ser bem adequado para a aplicação. Em um motor sem ranhuras, a bobina é enrolada em uma operação separada externa e é do tipo “autossustentável” (Figura 4). Em seguida, essa bobina é inserida na folga de ar, durante a montagem do motor. Nesse design, a indução magnética da bobina é diminuída, já que a folga de ar é grande. A indução em tal motor geralmente é muito menor do que em um motor CC sem escovas com ranhuras, portanto, um ímã maior e mais poderoso normalmente é necessário para compensar a perda de indução. Embora os motores sem ranhuras possam ser projetados para resistir à esterilização a vapor por meio de isolamento e outros revestimentos protetores nos componentes eletrônicos expostos, alcançar proteção duradoura e confiável contra condições ambientais adversas é naturalmente mais desafiador quando comparado a um motor com ranhuras. Se a capacidade de resistir ao processo de autoclave ou um número muito alto de ciclos de esterilização não forem necessários - existem aspectos de um design sem ranhuras que podem ser uma vantagem para uma determinada aplicação:
- Torque de detenção zero (ou seja, sem efeito cogging)
- Operação suave em velocidades muito altas
- Inércia do motor aumentada
- Capacidade de alto torque de pico
Controle de movimento preciso
Para alguns procedimentos cirúrgicos ou abordagens de design de dispositivo, pode ser necessário um controle de precisão do motor muito alto. Isso geralmente é verdadeiro para dispositivos cirúrgicos assistidos por robô que utilizam sensores sofisticados, sistemas de visão, feedback tátil ou mapeamentos 3D para direcionar a manipulação de material em um nível inferior ao milímetro. A execução bemsucedida da cirurgia pode exigir um controle de precisão extremamente alta da saída do motor. Os requisitos de precisão podem ir além do que é fornecido pelos sensores Hall tradicionais, que podem detectar a posição do rotor em incrementos de 60 graus. Ao se utilizar de um encoder é possível conseguir um feedback, para controle de velocidade e posicionamento do rotor, em incrementos bem menores que 1°.
Os encoders fornecem medições de posição angular do eixo do rotor com uma precisão muito maior do que três sensores Hall podem fornecer. Esse feedback pode ser útil para controle de posição ou maior precisão no controle de um motor CC sem escovas. A partir das medições de posição fornecidas, a velocidade, a aceleração e a direção podem ser inferidas. Ao procurar um encoder, uma das primeiras etapas é determinar a precisão e resolução necessárias. O tipo de tecnologia também deve ser escolhido; ótica e magnética são as tecnologias mais comuns usadas para encoders giratórios. Normalmente, em aplicações autoclaváveis, como ferramentas cirúrgicas, descobrimos que os encoders magnéticos fornecem uma opção robusta e confiável. Feedback incremental ou absoluto são duas opções comuns para comunicar o valor do ângulo. Se estiver usando sinais incrementais, um pulso de índice, uma vez por revolução, e um contador serão necessários para calcular a posição angular absoluta, caso contrário, o feedback será relativo. O feedback absoluto normalmente emprega uma linha de comunicação serial, como SSI, SPI ou BiSS, para fornecer um valor de ângulo codificado entre 0 e 360 graus.
As opções incluem:
- Opção esterilizável — projetada e testada para mais de 2.000 ciclos de autoclave
- Sinais do sensor Hall para comutações de seis passos (U, V e W)
- Codificador incremental de 10 bits (A, B, Z)
- Codificador de ângulo absoluto com resolução de 11 bits
- Saída de posição absoluta via SPI
- Saída diferenciada para ambientes com ruído
- Montagem fora de eixo permite utilização em eixo canulado
Conclusão
Dispositivos cirúrgicos modernos — tanto ferramentas manuais tradicionais quanto dispositivos assistidos por robôs — têm requisitos de movimento extremamente exigentes e exatos. Esses requisitos podem ser atendidos trabalhando com um fornecedor de motores que tenha a amplitude necessária de tecnologia e vasta experiência com ferramentas cirúrgicas manuais tradicionais e dispositivos cirúrgicos assistidos por robô.
Sobre a Portescap
Portescap é fabricante de motores DC sem escovas em miniatura (com ou sem ranhuras), CC com escovas, mmotores de passo (can stack) e atuadoares lineares, bem como componentes relacionados, como redutores, encoders e controladores (drivers). A Portescap é um fornecedor líder de motores esterilizáveis para ferramentas cirúrgicas manuais e dispositivos cirúrgicos assistidos por robôs. Os motores DC sem escovas com ranhuras esterilizáveis da Portescap têm sido usados em dezenas de milhões de cirurgias em todo o mundo, em todas as aplicações cirúrgicas concebíveis. Nossa equipe de engenharia passou mais de 30 anos melhorando continuamente nossos designs de motores esterilizáveis, que comprovadamente sobrevivem a mais de 3.000 ciclos de autoclave, excedendo em muito a vida útil de um dispositivo cirúrgico. A Portescap oferece personalizações completas do motor adaptadas às necessidades do dispositivo cirúrgico: canulação do eixo, design eletromagnético ampliado, recursos de montagem, relações de engrenagem personalizadas, conexões de pino vs cabos suspensos e muito mais. Nossos engenheiros de design especializados no mercado da Portescap trabalharão com a sua equipe para personalizar toda e qualquer função para sua ferramenta manual ou aplicação robótica exclusiva para cirurgias.
Aplicações típicas do motor Portescap para robótica cirúrgica
- Shavers artroscópicos
- Serras sagitais
- Serras oscilantes
- Furadeiras ortopédicas de médias e altas velocidades
- Direcionadores de fio de Kirschner
- Grampeadores cirúrgicos
TECH TALK
O QUE É UM CICLO DE AUTOCLAVE?
O método de esterilização mais comum usado em hospitais é a autoclavagem, também chamada de esterilização a vapor. Durante a autoclavagem, as ferramentas cirúrgicas são expostas a 100% de umidade, 135 °C (275 °F) e variações de pressão por até 18 minutos. A maioria das autoclaves também tem ciclos de vácuo adicionais para facilitar a penetração do vapor e matar bactérias, vírus, fungos e esporos que podem se esconder dentro das cavidades microscópicas do dispositivo. A exposição repetida a esse ambiente é o que normalmente causa problemas elétricos e de corrosão significativos para motores e dispositivos que não foram suficientemente bem projetados para suportar essas condições.
Ciclo de autoclave classe B pré e pós vácuo
